逆转衰老57%，“抗衰教父”辛克莱开年重磅：表观遗传驱动衰老
2023年1月12日，辛克莱教授在生物学顶刊《Cell》上发文，揭示表观遗传改变是衰老的主要驱动力，并展示了能够有效逆转衰老的方法，为人类战胜衰老提供了无限希望[1]。
在对衰老原因的探索中，人们发现，DNA损伤是诱发衰老的关键因素之一[2]，但是究竟是基因突变的积累还是表观遗传的修饰在“出主力”，研究者们众说纷纭，各执一词。
图注：十二大衰老标识中[2]
但是随着衰老生物学的发展，人们发现，那些突变率高的动物和人，似乎也并不一定会产生早衰的情况[3-4]，即使是已经有突变发生的体细胞克隆出的动物，好像也不会大幅缩短寿命[5]。这些研究成果让人们产生了疑虑，DNA的改变到底是不是衰老的“元凶”？
为此，本文作者大卫·辛克莱教授建立了可以产生DNA损伤、但不产生基因突变的ICE系统，希望能从该系统中找到衰老的“真相”。
不同于以前的传统DNA损伤制造方法，如辐射和化学品等，辛克莱教授选取了一种更精准、更温和的方式——I-Ppol内切酶基因。当这种基因在小鼠细胞内存在，在药物他莫昔芬（TAM）的作用下，I-Ppol内切酶就能在小鼠的基因组中造成20处损伤[6]。
辛克莱教授为这把损伤基因组的“钝刀”配上了开关，这把“刀”就能收放自如，给DNA损伤足够的修复时间，不至于造成无法修复的“突变”，且不会对机体其他成分造成破坏。
图注：ICE系统模式图
在ICE系统的作用下，小鼠细胞里没有产生多少基因突变，但是却实打实地出现了各种衰老表现：β-半乳糖苷酶表达上升、衰老相关分泌表型（如炎性因子）等分泌增多、核纤层蛋白B1表达下降等。
细胞实验的内容证实了ICE系统的可行性，同时也将“突变累积学说”打翻在地，没有突变，细胞也能衰老。
为了进一步验证ICE对生物衰老的整体影响，辛克莱教授团队又在小鼠身上开展了实验。
和细胞实验一样，ICE影响3周后，小鼠体内也没能检测出异常的基因突变情况，也没表现出直接有害影响，但是从1个月开始，情况就完全不一样了。
1个月后，ICE小鼠衰老初显端倪，它们像普通中年鼠那样，开始毛发变白和脱发；
10个月后，ICE小鼠正式迈入衰老，体重下降、活动和呼吸减少等，“鼠生”才刚刚过半的小鼠们却颤颤巍巍头发花白；
10-12个月后，ICE已经和24月龄的普通老年鼠一样，虚弱指数大幅上升，身形佝偻（脊柱后凸、皮质骨厚度损失和内层骨小梁密度降低等）……
图注：小鼠衰老的具体表现
没有产生额外基因突变的ICE在短短数月后却效果如此显著，小鼠1月白头，到了后期更是老态尽显。ICE系统的促衰功效得到了充分的验证，而“突变累积理论”也得到了充分的驳斥。
没有基因突变，但是小鼠早衰了，pass掉了一个错误答案后，辛克莱教授团队继续从表观遗传的角度展开研究，另辟蹊径。
为此，他们通过对各年龄段小鼠的肌肉和血液样本进行分析，创立了针对小鼠的表观遗传时钟，用更精确的数字对小鼠的衰老进行评估。
而结果也没辜负他们巨大工作量的前期准备工作：ICE干预小鼠的表观遗传衰老速度比对照组小鼠高50%，当DNA损伤和表观遗传衰老直接相关，表观遗传改变的影响正式进入研究者们的考虑范围。
图注：ICE小鼠表观遗传年龄差异
在表观遗传时钟的基础上，他们又检测了在表观遗传中和衰老相关、具有代表意义的基因修饰：和应激反应、核碱基合成、DNA 修复、染色质结构和代谢等生命活动密切相关的基因修饰H3K27ac和H3K56ac，以及和生长发育等密切相关的基因修饰H3K27me3。
在ICE系统的影响下，H3K27ac和H3K56ac大幅上升而H3K27me3大幅下降，直接代表了小鼠体内的表观遗传改变情况。
图注：ICE系统影响下，三种基因修饰的表达变化
同时，ICE干预的小鼠体内细胞还表现出了空间染色质接触、染色质绝缘和 P-E 通讯、细胞分化方向改变（如肌肉细胞向免疫细胞分化）等多种异常情况，全都指向表观遗传的改变，也算是完全做实了DNA损伤、表观遗传改变和衰老三者之间密不可分的关系。
研究至此，辛克莱教授团队已经确定了，DNA损伤导致衰老的途径并不是通过“基因突变累积”实现的。相反，DNA损伤导致的衰老离不开表观遗传改变的影响，虽然具体机制尚未被完全破解，但也为衰老机制研究提供了全新的方向和理论。
那么，这种由DNA损伤开启、表观遗传改变参与而最终产生的衰老，是否有应对之法呢？早在2年前的2020年12月2日，辛克莱教授团队就用一篇《Nature》封面论文为这个问题的解决埋好了伏笔。
当时的研究表示，应用AAV（腺相关病毒）体内递送系统，将神奇山中因子中的三个Oct4、Sox2和Klf4导入到活动物体内，能在4周的干预中将中年小鼠视网膜中90%的衰老节细胞恢复到年轻水平，效果堪称惊人[7]。
当初这项研究登上了生物学顶刊《Nature》的封面，而2年后的今天，这项技术也帮助辛克莱教授团队将研究刊登在顶刊《Cell》上。
这一次，他们用同样的AAV方法递送了O、S、K三个山中因子，到因为ICE系统而衰老的小鼠体内，使它们的表观遗传年龄年轻了57%！上一部分提到的那些表观遗传改变相关的基因修饰的水平变化也得到了恢复，ICE诱导的衰老小鼠又“重返青春”。
图注：AAV-OSK体内重编程系统让小鼠的表观遗传年龄年轻了57%
神奇的ICE系统从一众衰老相关标识中找到了表观遗传改变这一最有可能的“衰老元凶”，而更神奇的AAV-OSK体内重编程系统更是直接逆转衰老，“回溯时光”。
研究者认为，这就像是电脑系统，随着时间的推移，一些关键信息（表观遗传信息）丢失，就会造成运行迟缓、不灵（衰老），但是这些信息在系统里都有备份副本，而AAV-OSK体内重编程便是重装软件的过程，强势逆转衰老。
正如我国衰老生物学领军人物刘光慧教授对这项研究所评价的：“优雅的诱导表观遗传衰老的系统”，“我认为作者使用了一种聪明的方法来解决这个问题”。这项研究不仅探究了诱发衰老的核心机制，还提供了安全有效的潜在应对方法，为未来衰老生物学的发展指向了更清晰的方向。
也希望在不久的将来，辛克莱教授，或者其他衰老领域科学家能探清DNA损伤-表观遗传改变-衰老之间的具体机制原理，也希望在AAV-OSK体内重编程系统的帮助下，人类能早日战胜衰老。
—— TIMEPIE ——
参考文献
[1] Yang, J. H., Hayano, M., Griffin, P. T., Amorim, J. A., Bonkowski, M. S., Apostolides, J. K., Salfati, E. L., Blanchette, M., Munding, E. M., Bhakta, M., Chew, Y. C., Guo, W., Yang, X., Maybury-Lewis, S., Tian, X., Ross, J. M., Coppotelli, G., Meer, M. V., Rogers-Hammond, R., Vera, D. L., … Sinclair, D. A. (2023). Loss of epigenetic information as a cause of mammalian aging. Cell, S0092-8674(22)01570-7. Advance online publication. https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.12.027
[2] López-Otín, C., Blasco, M., Partridge, L., Serrano, M., & Kroemer, G. (2023). Hallmarks of aging: An expanding universe. Cell. doi: 10.1016/j.cell.2022.11.001
[3] Narayanan, L., Fritzell, J.A., Baker, S.M., Liskay, R.M., and Glazer, P.M. (1997). Elevated levels of mutation in multiple tissues of mice deficient in the DNA mismatch repair gene Pms2. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 3122–3127.https://doi.org/10.1073/pnas.94.7.3122.
[4] Robinson, P.S., Coorens, T.H.H., Palles, C., Mitchell, E., Abascal, F., Olafsson, S., Lee, B.C.H., Lawson, A.R.J., Lee-Six, H., Moore, L., et al. (2021). Increased somatic mutation burdens in normal human cells due to defective DNA polymerases. Nat. Genet. 53, 1434–1442. https://doi.org/10.1038/s41588-021-00930-y.
[5] Burgstaller, J.P., and Brem, G. (2017). Aging of cloned animals: A mini-review. Gerontology 63, 417–425. https://doi.org/10.1159/000452444.
[6] Berkovich, E., Monnat, R.J., Jr., and Kastan, M.B. (2007). Roles of ATM and NBS1 in chromatin structure modulation and DNA double-strand break repair. Nat. Cell Biol. 9, 683–690. https://doi.org/10.1038/ncb1599.
[7] Lu, Y., Brommer, B., Tian, X., Krishnan, A., Meer, M., Wang, C., . . . Sinclair, D. A. (2020). Reprogramming to recover youthful epigenetic information and restore vision. Nature, 588(7836), 124-129. doi:10.1038/s41586-020-2975-4
