如何讓歲月“殺豬刀”刀下留人?讓人永葆青春呢

2020年02月29日 来源:新浪新聞

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  來源:中科院之聲

  都說“歲月是把殺豬刀”,讓年輕貌美的姑娘變成了滿臉皺紋的老太太,讓活蹦亂跳的小夥子變成了步履蹣跚的老頭子。隨著歲月流逝,我們的身體發生著怎樣的變化呢?我們是從什麽時候開始變老的?人類能不能實現長生不老,永葆青春呢?這是千百年來人們不斷探索的奧秘。古有秦始皇、漢武帝等古代帝王通過尋仙、服用靈丹妙藥追求長生不老;現有諸多著名跨國公司投資抗衰老研究,比如穀歌投資15億美元成立了研究衰老的Calico公司。當前,隨著人類預期壽命的延長,人口老齡化問題越來越嚴重,衰老相關的退行性疾病,包括阿爾茲海默氏症,癌症,帕金森病,糖尿病等的發病率也增加,抗衰老研究顯得愈加迫切。

  衰老研究曆史和現狀

  盡管幾千年來人們一直在追求長生不老,但是現代意義上的有關衰老的科學研究起始時間並不太長。關鍵的起始點是二十世紀三十年代末期,科學家發現限製飲食可以延長小鼠和大鼠的壽命,這說明衰老是一個可塑的過程。隨著新實驗方法的出現,人們對於衰老現象從個體到細胞和分子層麵都有了進一步的認識,科學家相繼提出了很多理論試圖解釋衰老。具有代表性的一些理論有:1957年George C。 Williams提出了拮抗基因多效性的衰老進化理論,認為進化會選擇對生命早期發育和生長繁殖有利的基因突變,然而這些突變在生命晚期則會加速衰老。1961年Dr。 Hayflick發現細胞老化現象即細胞分裂具有極限並非永生,細胞經過有限次數的分裂之後就進入老化時期。人們進一步發現體細胞每經過一次有絲分裂,位於染色體末端的端粒會隨之變短一點,當端粒長度縮短到一定界限的時候,細胞便停止分裂進入老化階段,這就是衰老的端粒假說。二十世紀五十年代到八十年代科學家還提出了很多解釋衰老的理論,主要可以分為兩類:以自由基假說,DNA損傷累積以及細胞或組織磨損假說為代表的損傷/錯誤累積理論,強調環境對分子或者細胞的侵蝕導致損傷的累積,進而引起衰老,“就像機器用久了會壞”是一個不可控的過程;另一類是以免疫理論,內分泌理論為代表的程序性衰老理論,認為衰老就像發育過程一樣遵從一個程序性的生物學時間表,這個過程依賴於時序性的開啟或者關閉特定基因的表達來控製衰老速度。然而,這些理論通常隻能解釋部分衰老現象。

  二十世紀九十年代隨著分子生物學的發展,衰老研究進入基因時代,基因和衰老現象之間建立起了因果關係。兩個裏程碑式的工作是:1983年科學家Klass在模式動物線蟲中鑒定出第一個長壽突變體,是一個叫age-1的基因突變將線蟲壽命延長了40%-60%。這個發現令很多科學家非常驚訝,居然單個基因的突變就能改變壽命的長短。1993 年加州大學舊金山分校的Cynthia Kenyon教授發現單個基因daf-2發生突變可以使線蟲壽命增加一倍,她提出了壽命受基因控製的理論。接下來的近三十年,科學家發現了上百個長壽基因,這些基因構成了細胞內複雜而有序的信號調控網絡。人們對於壽命的調控機製有了一定的認識。

  衰老也伴隨著行為和認知功能的退化,延長壽命的同時能夠終生較好地保持各項生理功能(即健康長壽)是人類的美好願望。過去人們認為長壽和健康衰老密切關聯,但最近的一些研究結果表明二者可由不同機製調控。因此,延長壽命不再是抗衰老的唯一目標。如果長壽而不能健康的老去,在風燭殘年中維持體弱多病的生命,這對人們來說其實是種折磨。我們更希望老年時期的生活質量得到改善,實現老而不衰。近年來健康衰老機理受到了越來越多的科學家的關注,但目前這方麵的研究還很少。尋找有效途徑來延緩衰老過程中的行為能力和認知功能退化已成為抗衰老研究領域的重點和難點。

  中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)蔡時青研究員成立實驗室以後首先對長壽和行為退化這兩者的關係進行了解析,發現一些長壽基因雖然能延長壽命,但並不一定能延緩動物行為功能的退化。探討衰老相關行為退化機製,尋找實現健康衰老的方法成為了實驗室明確的研究方向。第一篇工作同時還闡明了提高神經遞質可改善老年動物行為能力,為以後從何入手研究行為退化的調控機製奠定了基礎。

  之後他們以神經遞質係統在衰老中的變化為衰老的標記,一方麵分析個體之間衰老速度差異的遺傳基礎,發現了一條新的膠質細胞-神經元信號通路調控衰老速度;該研究首次闡述了自然變異影響衰老相關行為功能退化的機製。另一方麵綜合運用線蟲和小鼠這兩種模式動物以及人類大腦基因表達數據庫,通過全基因組篩選發現新的抗衰老靶標基因,闡明了認知衰老的調控機製,為實現健康衰老提供了新的線索。這項工作於近日在線發表在Nature雜誌上。

  全基因組遺傳篩選發現新的潛在抗衰老基因

  如何尋找調控行為退化的基因?生物學中為了研究一個基因能夠發揮什麽功能,可以將這個基因從基因組中去除,觀察生物體會出現哪些異常,從而可以推測這個基因在生物體中起什麽生理功能。當我們想從成千上萬的基因中找到特定調控某個生理過程(如發育、衰老等)的基因時,遺傳學篩選就是一個非常重要且有效的方法,往往能起到意想不到的效果。在常用於遺傳學篩選的模式生物中,研究人員選用了線蟲作為研究對象,因為線蟲體型微小(身長僅1毫米),易於培養,遺傳背景清楚且便於遺傳操作,生命周期短,3.5天就可以發育成熟產生後代,整個生命周期大約就是21天。線蟲是研究衰老的重要模式生物,許多重要的調控壽命的信號通路都是首先在線蟲中發現的,且這些信號通路在哺乳動物中也是保守的。

  但即使是在線蟲中,檢測衰老過程中的行為變化也不是那麽簡單的,需要通過繁複的實驗進行檢測。有沒有一種衰老的生物學標記,它易於追蹤,能反映行為功能退化且適合於大規模篩選呢?研究者們巧妙的化繁為簡,想到了神經遞質係統。神經遞質是介導大腦神經元之間信號傳遞的化學物質,在衰老過程中神經遞質功能異常將導致行為功能退化。改善神經遞質功能可提高老年人的行為能力,如多巴胺信號隨衰老下降,提高多巴胺神經遞質功能可提高老年人認知功能。

  蔡時青實驗室早期的工作已經發現,線蟲中催化多巴胺合成的一個酶—多巴脫羧酶在衰老過程中表達量下降,導致多巴胺水平降低及相關的一些行為功能的退化。以此為線索,研究人員用熒光蛋白標記多巴脫羧酶,以熒光強度指示衰老過程中多巴胺合成量的變化,通過反向遺傳學篩選(一種利用幹擾RNA降低目標基因功能的技術)逐個敲低線蟲基因組中的16000多個基因來尋找改善多巴胺功能,進而提高老年動物行為能力的基因。經過幾輪重複實驗確認篩選結果,作者最後找到59個候選基因,其中有10個已經被報道與退行性疾病或者細胞老化有關,而其餘49個則是首次發現可影響衰老過程。通過構建這些候選基因的相互作用網絡,他們發現有兩個基因baz-2和set-6位於網絡中的關鍵節點,且主要表達在神經係統中。研究人員檢測線蟲行為發現缺失baz-2和set-6的突變線蟲的進食能力等各項行為能力隨衰老退化的速度相比野生型線蟲要慢得多,同時它們還延長了壽命。這些結果說明這兩個基因是加速衰老的,降低這兩個基因的功能可以延緩衰老。研究人員很欣慰的看到設計的篩選係統是非常有效的,確實找到了抗衰老的潛在靶標基因。

  表觀遺傳相關的抗衰老靶基因調控線粒體功能

  那麽這兩個抗衰老靶基因是怎麽調節衰老的呢?研究中通常最困難的不是發現一個生物學現象,而是研究現象背後的生物學機製。剛開始作者探索BAZ-2和SET-6調節衰老的分子機製時也沒有頭緒。通過序列分析,他們發現這兩個基因可能是表觀遺傳調控因子。於是,他們找到擅長低等真核生物表觀遺傳學研究的中科院上海巴斯德研究所江陸斌研究員的實驗室合作。表觀遺傳調控不同於大家熟知的遺傳調控,是指在不改變基因DNA序列的情況下,基因表達發生了可遺傳的變化,並最終導致了表型的變化。江陸斌研究員自2012年建立實驗室以來,通過表觀遺傳學研究手段在瘧疾致病機製研究中取得了多個重要突破。不但首創了單細胞真核寄生蟲表觀遺傳基因編輯技術,而且發現了組蛋白甲基化酶PfSETvs與DNA解旋酶PfRecQ1是惡性瘧原蟲逃避人體免疫反應的關鍵表觀遺傳調控因子。通過合作,他們首先證明了線蟲SET-6是一個組蛋白甲基化酶,同時也發現BAZ-2和SET-6之間存在相互作用。

  隨後,他們采用多種高通量測序方法綜合分析,發現BAZ-2和SET-6通過調控線粒體功能相關基因的表觀遺傳修飾來調節它們的表達。由於線粒體是細胞代謝的主要場所,也是能量工廠,大量研究表明線粒體功能下降是組織功能退化的主要原因。通過檢測線蟲的線粒體功能,他們發現敲除baz-2和set-6基因確實可以提高線粒體功能,而且敲除這兩個基因延緩行為退化是通過提高線粒體功能而實現的。這些結果表明要實現老年個體行為功能的改善,需要激活線粒體的活力。探索抗衰老原因的過程非常艱難,兩個實驗室通過幾年的通力合作,最後詳細闡明了這兩個全新的抗衰老靶基因的作用原理。

  抗衰老靶基因調節小鼠認知衰老

  畢竟線蟲離人的親緣關係比較遠,這兩個抗衰老靶基因在哺乳動物中是否有相同的作用呢?隨著高通量測序技術的發展,目前已有很多人類組織樣品基因表達的數據庫可提供給科學家進行研究。作者充分利用這一資源,分析找到的這兩個新的抗衰老靶基因在衰老大腦中有什麽樣的變化。有意思的是,研究人員發現BAZ-2的人類同源蛋白BAZ2B表達量隨衰老增加。

  為驗證降低BAZ2B功能是否也能抗衰老,研究人員構建了Baz2b基因敲除的小鼠。由於小鼠繁殖周期長,而且小鼠的生命周期長達三年,從開始構建基因敲除小鼠,到去除背景突變,最後把小鼠培養到年老,三年的時間過去了。經過了漫長的準備階段,作者驚喜的發現降低小鼠Baz2b功能可以減緩小鼠隨年齡的體重增加。野生小鼠都會出現“中年發福”的現象,而Baz2b敲除的小鼠則能夠在衰老過程中保持更加“苗條”的身材。更重要的是,行為檢測的結果表明年老的Baz2b敲除小鼠比野生型小鼠保持了更好的認知能力。說明BAZ2B在哺乳動物中也同樣調控衰老進程,是新的抗衰老的靶標基因。

  對治療神經退行性疾病的提示

  大量研究表明線粒體功能缺陷在阿爾茲海默氏症疾病的發生和發展中起重要作用。阿爾茲海默氏症,也就是我們通常所說的老年癡呆是引起老年人認知障礙的頭號殺手,85歲以上的老年人中有一半可能患老年癡呆,而且目前沒有藥物能有效治療這一疾病。由於BAZ2B和SET-6的人類同源蛋白EHMT1保守地調控了線粒體功能,因此,作者還探索了這兩個抗衰老靶基因在阿爾茲海默氏症中的變化。他們發現阿爾茲海默氏症病人的大腦中,BAZ2B和EHMT1的表達量與疾病進程呈正相關,和關鍵線粒體蛋白的表達量則呈負相關。這些結果表明BAZ2B和EHMT1在衰老大腦中表達增加可能是導致阿爾茲海默氏症線粒體功能缺陷的重要原因,並在阿爾茲海默氏症的發生和發展中發揮重要作用。

  總之,該工作通過全基因組篩選,發現一係列潛在調控行為退化的基因,並鑒定出兩個表觀遺傳調控因子BAZ-2/BAZ2B和SET-6/EHMT1妨礙健康衰老,降低這兩個基因的功能可以提高線粒體功能進而改善認知衰老。


  新發現的意義

  衰老是神經退行性疾病發生最主要的風險因素,老年性神經退行性疾病的發生和發展在衰老大腦的分子細胞環境中進行,理解大腦衰老的調控機製對防治這些疾病至關重要。

  該工作通過全基因組篩選,首次展示了一個廣泛的調控衰老相關行為退化的基因圖譜,發現一係列潛在調控行為退化的基因,並鑒定出兩個表觀遺傳調控因子BAZ-2/BAZ2B和SET-6/EHMT1妨礙健康衰老,降低這兩個基因的功能可以提高線粒體功能進而改善認知衰老。該研究闡明了BAZ2B在認知衰老中的作用,發現了BAZ2B這個全新的抗衰老基因靶標。

  該工作還結合多種模式動物,從多層麵闡明了認知衰老的調控機製,為今後更加全麵的理解健康衰老的機製打下了良好基礎;該研究為大腦衰老的機製提供了新的解釋,為延緩大腦衰老提供了新的理論依據和作用靶標。

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