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《自然》:这一次,衰老时钟终于被安全回拨了!哈佛科学家首次实现逆转复杂组织的年龄,并首次成功恢复其功能

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  今天,哈佛医学院David Sinclair团队在顶级期刊《自然》上以封面报道形式发表的研究成果[1],改写了两项历史记录。

  首次证明可以安全地将复杂组织重新编程到更年轻的状态

  首次成功逆转青光眼引起的视力损失。

  研究人员认为,这一发现有望促进各种器官的组织修复,并扭转人类衰老和年龄相关疾病。

  一个抗衰老的新时代或许由此开

  论文的第一作者是吕垣澄博士,通讯作者是全球抗衰老研究的领军人物David Sinclair,哈佛医学院的何志刚、Bruce R. Ksander和Meredith S. Gregory-Ksander共同指导了本研究。


  本期《自然》的封面

  衰老是组织功能障碍和死亡的退行性过程。

  近年来,表观遗传学改变被认为是机体衰老的一个重要原因,因为它会导致基因表达模式被破坏,进而促进组织功能和再生能力下降[2,3]。

  DNA甲基化模式随时间的变化甚至被认为是机体“衰老时钟”的基础[4]。然而衰老个体是否保留了恢复年轻状态所需要的路径?以及如果保留有,那么是否可以借此安全地改善组织功能?这两个问题,目前都缺乏清晰的认知。

  要搞清楚上面的两个问题,山中因子(OCT4、SOX2、KLF4和MYC)是个绕不开的工具。

  在细胞研究中,科学家已经发现,山中因子的异位表达可以将培养的体细胞重新编程成为多能干细胞[5],这种方法甚至可以抹去细胞身份,重置DNA甲基化年龄[4,6]。

  然而,山中因子抗衰老的能力,不是逆转衰老,而是直接将细胞“打回娘胎”,甚至让细胞忘记自己究竟是谁。这显然不是人类想要的。

  更让人担心的是,很多研究发现,山中因子的这种超能力,会诱发畸胎瘤[7-9],甚至是在几天内导致实验动物死亡[10]。

  如此看来,要想研究逆转衰老的问题,就有必要改变一下山中因子。


  David Sinclair(图源:Sinclair Lab)

  Sinclair团队注意到,之前的研究表明,Myc这个癌基因的表达与小鼠寿命的缩短有关[11],而且没有它细胞重编程也照样能启动[11]。

  既然如此,那就从山中因子中剔除MYC,只保留OCT4、SOX2和KLF4好了。Sinclair团队把这个新组合叫做OSK。初步分析发现,OSK表达5天之后,就让mRNA谱变得年轻化了,最关键的是,细胞的原始身份还在,也没有表现出促癌的迹象。

  为了进一步检验OSK的安全性,研究人员构建了一个表达系统,在小鼠体内连续诱导OSK表达10-18个月,仍没有观察到肿瘤发生率的增加,或对整体健康的负面影响。

  既然如此,是时候找个组织或者器官,检验下OSK促进再生或逆转衰老的效果了。


  接受OSK治疗后的小鼠视网膜(图源:hms.harvard.edu/吕垣澄)

  鉴于中枢神经系统是哺乳动物最先失去再生潜能的系统之一,Sinclair团队的研究人员选择了视网膜神经节细胞(RGCs)。

  中枢神经系统的视网膜神经节细胞将轴突投射到远离视网膜的地方,形成视神经。如果视神经受损,在胚胎和新生儿早期,视网膜神经节细胞可以再生轴突。不过视网膜神经节细胞的这种能力在出生后几天内就会丧失

  截至目前,科学家已经找到一些方法让成熟的视网膜神经节细胞恢复有限的再生能力,但目前还没有方法让受损的视神经完全恢复或者恢复视力[13]。

  为了检验OSK是否能让视网膜神经节细胞恢复原初的再生能力,Sinclair团队在视神经粉碎性损伤模型中诱导了OSK的表达。

  研究人员发现,OSK的表达引发了视网膜神经节细胞的再生和长距离轴突延伸而且视网膜神经节细胞的身份没有改变,也未见视网膜肿瘤等不良影响的发生


  接受治疗后的小鼠恢复情况示意图

  为了排除年轻小鼠视网膜神经节细胞残余自然再生能力对研究结果的干扰,Sinclair团队成员又在老年小鼠身上做了同样的研究。在12个月大的老龄小鼠中,OSK治疗使视网膜神经节细胞的存活率翻倍,效果与在1个月和3个月大的小鼠中观察到的结果相似。

  虽然轴突再生在老龄小鼠中稍弱,但将治疗延长3周后时,老龄小鼠体内仍然长出了健壮的轴突。研究人员认为,这些数据表明,衰老并不会大大削弱OSK转录因子诱导轴突再生的能力。

  至于背后的机制,也确实是OSK逆转了损伤引起的全局DNA甲基化变化。如果抑制细胞的去甲基化能力,OSK的效果就消失了。

  Sinclair团队在人神经元中也观察到了OSK表达促进轴突再生。如此看来,OSK重编程神经元并促进轴突再生的能力,在小鼠和人类中是保守的。


  吕垣澄(图源:Sinclair Lab)

  接下来的一个问题非常关键:OSK的上述表现,能恢复小鼠的视力吗?

  为了回答这个问题,Sinclair团队成员采用了两种模型:青光眼和自然衰老导致的视力下降。

  如果OSK能攻克上面的两大难题,那就说明OSK是真行。

  研究结果让研究人员喜出望外。

  在青光眼模型中,与治疗前相比,OSK治疗后的小鼠视力有了显著的提高:视运动反应测定表明,因眼压增加所损失的视力有一半得到了恢复。至于视网膜神经节细胞的轴突,在经OSK治疗之后,也恢复到非青光眼小鼠的水平

  据了解,这也是第一次逆转青光眼对视力的损伤


  接受OSK治疗后老年小鼠轴突再生(图源:hms.harvard.edu/吕垣澄)

  在因自然老化引起的视力下降模型中。OSK让12月龄小鼠的下降的视力得以恢复,但是没有恢复18月龄小鼠的视力,研究人员认为这可能与年龄相关的角膜不透明性增加有关。

  如此看来,OSK不仅能让视网膜神经节细胞恢复年轻时的再生能力,而且这种改变确实有助于组织功能的恢复。这就给以后的治疗铺平了道路。

  总的来说,基于以上研究成果,研究人员认为,安全地逆转一个复杂组织的年龄,并恢复它的功能是可行的。未来如果能在更多的组织器官中复制这一结果,很多与年龄相关的疾病,或许就有了一种新的治疗方式。

  参考文献:

  [1].https://www.nature.com/articles/s41586-020-2975-4

  [2].Sinclair D A, Mills K, Guarente L. Accelerated aging and nucleolar fragmentation in yeast sgs1 mutants[J]. Science, 1997, 277(5330): 1313-1316.

  [3].Imai S, Kitano H. Heterochromatin islands and their dynamic reorganization: a hypothesis for three distinctive features of cellular aging[J]. Experimental gerontology, 1998, 33: 555-570.

  [4].Horvath S. DNA methylation age of human tissues and cell types[J]. Genome biology, 2013, 14(10): 3156.

  [5].Takahashi K, Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors[J]. cell, 2006, 126(4): 663-676.

  [6].Petkovich D A, Podolskiy D I, Lobanov A V, et al. Using DNA methylation profiling to evaluate biological age and longevity interventions[J]. Cell metabolism, 2017, 25(4): 954-960. e6.

  [7].Ohnishi K, Semi K, Yamamoto T, et al. Premature termination of reprogramming in vivo leads to cancer development through altered epigenetic regulation[J]. Cell, 2014, 156(4): 663-677.

  [8].Abad M, Mosteiro L, Pantoja C, et al. Reprogramming in vivo produces teratomas and iPS cells with totipotency features[J]. Nature, 2013, 502(7471): 340-345.

  [9].Senís E, Mosteiro L, Wilkening S, et al. AAV vector-mediated in vivo reprogramming into pluripotency[J]. Nature communications, 2018, 9(1): 1-14.

  [10].Ocampo A, Reddy P, Martinez-Redondo P, et al. In vivo amelioration of age-associated hallmarks by partial reprogramming[J]. Cell, 2016, 167(7): 1719-1733. e12.

  [11].Hofmann J W, Zhao X, De Cecco M, et al. Reduced expression of MYC increases longevity and enhances healthspan[J]. Cell, 2015, 160(3): 477-488.

  [12].Rand T A, Sutou K, Tanabe K, et al. MYC releases early reprogrammed human cells from proliferation pause via retinoblastoma protein inhibition[J]. Cell reports, 2018, 23(2): 361-375.

  [13].Roska B, Sahel J A. Restoring vision[J]. Nature, 2018, 557(7705): 359.

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