文|觀察未來(lái)科技
DNA作為遺傳信息的儲(chǔ)存者，處在中心法則的起始環(huán)節(jié)，DNA的損傷和修復(fù)會(huì)直接影響細(xì)胞命運(yùn)。其中，DNA損傷是DNA復(fù)制過(guò)程中發(fā)生的DNA核苷酸序列永久性改變，并導(dǎo)致遺傳特征改變的現(xiàn)象。隨著年齡的增長(zhǎng)，細(xì)胞修復(fù)DNA的能力下降，從而導(dǎo)致?lián)p傷累積，最終導(dǎo)致細(xì)胞功能異常，修復(fù)能力不足，從而導(dǎo)致人體衰老直至死亡。
早在20多年前，哈佛大學(xué)的遺傳學(xué)教授David Sinclair就提出了用DNA損傷來(lái)解釋衰老的理論。這個(gè)理論曾遭受了很多質(zhì)疑，不過(guò)，在今天，越來(lái)越多的研究已經(jīng)證實(shí)了David Sinclair這個(gè)衰老理論，并且，David Sinclair的研究團(tuán)隊(duì)還揭示了一種新的方法可以逆轉(zhuǎn)衰老。
衰老究竟是什么？
衰老令人難以理解。自然界幾十億年演化出的身體，為何會(huì)迎來(lái)衰老和死亡？整個(gè)20世紀(jì)，科學(xué)家都試圖發(fā)現(xiàn)衰老的秘密。從遺傳的角度來(lái)看，DNA作為遺傳信息的載體，深刻影響著細(xì)胞命運(yùn)和個(gè)體的生老病死。其中，表觀遺傳學(xué)對(duì)生物衰老的作用尤其明顯。
顧名思義，表觀遺傳學(xué)把“表觀”和“遺傳”聯(lián)系起來(lái)研究，代表一種在不改變基因組DNA序列的情況下調(diào)節(jié)基因組功能的可逆機(jī)制。比如，一個(gè)受精卵在持續(xù)分裂中產(chǎn)生形成人體的數(shù)十萬(wàn)億個(gè)細(xì)胞，這些細(xì)胞的遺傳物質(zhì)DNA都來(lái)自同一個(gè)受精卵，差別極其微小，但這些細(xì)胞本身卻承載了許多差異巨大的生物學(xué)功能。一對(duì)基因組DNA完全相同的同卵雙胞胎，剛出生的時(shí)候從相貌到行為幾乎沒(méi)有差別，但伴隨著成長(zhǎng)發(fā)育和人生起伏，兩者的差異會(huì)越來(lái)越明顯。
早在2011年，研究人員就已經(jīng)進(jìn)行了這樣的嘗試：觀察人類(lèi)的衰老是否和人體表觀遺傳水平的變化有直接關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基因組DNA上數(shù)十個(gè)位置的甲基化和年齡相關(guān)，而其中區(qū)區(qū)三個(gè)位點(diǎn)的甲基化修飾水平就可以很好地預(yù)測(cè)人類(lèi)個(gè)體的年齡。其中，DNA甲基化是一種生物過(guò)程，是DNA化學(xué)修飾的一種形式，能在不改變DNA序列的前提下改變 DNA 片段的活性、從而改變遺傳表現(xiàn)，為表觀遺傳編碼的一部分，是一種外遺傳機(jī)制，對(duì)細(xì)胞的正常發(fā)育至關(guān)重要，
隨后，研究人員又發(fā)現(xiàn)，如果在全基因組尺度上研究DNA甲基化和年齡的關(guān)系，還能進(jìn)一步提高前者對(duì)后者的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。基于此，研究人員提出了“表觀遺傳時(shí)鐘”的概念。研究人員認(rèn)為，人類(lèi)基因組DNA甲基化水平的持續(xù)變化，正反映了衰老的持續(xù)發(fā)生，這不僅僅體現(xiàn)在生理年齡的增加，還體現(xiàn)在健康狀況的持續(xù)衰退，多種慢性疾病的逐漸發(fā)生，以及死亡率的持續(xù)提高。
今年1月，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院David Sinclair實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)研究為這個(gè)問(wèn)題提供了另一個(gè)重要的解釋視角。哈佛大學(xué)的研究人員認(rèn)為，是DNA分子的隨機(jī)斷裂破壞了表觀遺傳修飾的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致了生物的衰老。
具體來(lái)看，研究人員利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)在小鼠體內(nèi)表達(dá)一個(gè)來(lái)自多頭絨泡菌的核酸內(nèi)切酶，它可以在小鼠基因組的20個(gè)特定位置上切割雙鏈DNA，制造一個(gè)DNA斷口。這種特殊的斷口能夠被及時(shí)修復(fù)，而不會(huì)引起DNA序列本身的變化，但卻能夠顯著改變小鼠的表觀遺傳學(xué)特征，撥快了小鼠的表觀遺傳學(xué)時(shí)鐘。
結(jié)果顯示，這種特殊斷口大大加快了小鼠各種生理指標(biāo)的衰老過(guò)程，比如，體重下降，毛發(fā)變灰白，代謝率降低，駝背、骨密度降低，肌肉量和收縮能力下降，運(yùn)動(dòng)技能下降，認(rèn)知功能受損等。
這項(xiàng)研究首次說(shuō)明了擾亂生物的表觀遺傳學(xué)修飾本身就足以引發(fā)快速的衰老，給予科學(xué)家們一種全新的視角來(lái)理解衰老的發(fā)生。
逆轉(zhuǎn)衰老的可能
實(shí)際上，我們的DNA總是不斷受到攻擊。平均來(lái)說(shuō)，我們46條染色體中的每條在細(xì)胞每次復(fù)制DNA時(shí)都會(huì)以某種方式斷裂，在我們的身體里，斷裂次數(shù)每天超過(guò)2萬(wàn)億。這僅僅是發(fā)生在復(fù)制過(guò)程中的斷裂。另一些則是由自然輻射、環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)以及我們所受的X射線(xiàn)和CT掃描造成的。如果我們沒(méi)有辦法及時(shí)修復(fù)我們的DNA，就會(huì)造成表觀遺傳學(xué)的改變，造成衰老。
不過(guò)，雖然哈佛大學(xué)的研究人員證實(shí)表觀基因組能加速小鼠的衰老，但同時(shí)，科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)這一進(jìn)程是可以逆轉(zhuǎn)的。打個(gè)比方，如果電腦軟件崩潰，只需要重新啟動(dòng)就可以解決；而如果硬件受損，那就很難使它重新正常運(yùn)作了。細(xì)胞運(yùn)行也是如此。如果是基因突變導(dǎo)致細(xì)胞衰老，那么這一進(jìn)程是不可逆的。而哈佛大學(xué)的研究人員認(rèn)為，表觀基因組的改變正是電腦軟件的崩潰，換言之，衰老過(guò)程中細(xì)胞的“硬件”并未損壞，利用存儲(chǔ)的基因副本，細(xì)胞可以重啟工作進(jìn)程。
為了實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想，他們先是破壞了年輕小鼠的表觀基因組。結(jié)果，在幾周內(nèi)，年輕小鼠就表現(xiàn)出了許多年老的特征。隨后，研究人員通過(guò)基因治療來(lái)使小鼠的表觀基因組回歸正常。
在治療中，研究人員用到了3個(gè)基因，而這些基因在小鼠體內(nèi)會(huì)促使細(xì)胞在表征上分化為腎臟細(xì)胞和表皮細(xì)胞。這些基因來(lái)自于一套被稱(chēng)為“山中四因子”的基因組，由諾獎(jiǎng)得主山中伸彌（Shinya Yamanaka）于2006年發(fā)現(xiàn)。它可以使成年細(xì)胞恢復(fù)胚胎時(shí)期的干細(xì)胞形態(tài)，并開(kāi)始不斷分裂和分化。
通過(guò)這3個(gè)基因，小鼠細(xì)胞的表觀基因組得到修復(fù)，它們的衰老時(shí)鐘也回溯了約57%。研究人員表示，他們對(duì)這一方法的普遍性也感到驚訝。而迄今為止，他們?cè)谛∈篌w內(nèi)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一種無(wú)法逆轉(zhuǎn)衰老進(jìn)程的細(xì)胞。
事實(shí)上，在此前，科學(xué)家們對(duì)如何逆轉(zhuǎn)衰老就已經(jīng)有了一定的研究。2006年，日本科學(xué)家山中伸彌在《細(xì)胞》雜志發(fā)表論文，證明在已經(jīng)完成分化、也就是已經(jīng)從山頂?shù)涞孛娴募?xì)胞中，人為表達(dá)四個(gè)基因，分別是Oct4, Sox2，Klf4和c-Myc，簡(jiǎn)稱(chēng)OSKM，也被稱(chēng)為“山中因子”——這些細(xì)胞能被重新推上山頂，變成具備各種分化潛能的干細(xì)胞狀態(tài)。
很快，有人開(kāi)始在臨床試驗(yàn)中嘗試用這樣的方法治療疾病。原因很簡(jiǎn)單，原本可能需要做異體器官移植的患者，借用這項(xiàng)技術(shù)，就可以用自己的身體細(xì)胞，加上山中因子重新誘導(dǎo)回干細(xì)胞狀態(tài)，再定向分化成需要的器官，進(jìn)行移植就可以了。比如，2016年，美國(guó)索爾克研究所的Juan Carlos Izpisua Belmonte實(shí)驗(yàn)室就短暫地啟動(dòng)四個(gè)山中因子幾天到十幾天時(shí)間，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，山中因子不會(huì)導(dǎo)致腫瘤發(fā)生，反而會(huì)逆轉(zhuǎn)小鼠身體細(xì)胞和多個(gè)器官的衰老，大大延長(zhǎng)早衰癥小鼠的壽命。
在2022年3月7日，同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們?cè)凇蹲匀?nbsp;衰老》雜志上發(fā)表了一篇新的論文，研究改了正常小鼠體內(nèi)定期表達(dá)四個(gè)山中因子，并用了一系列別的方法來(lái)間接確認(rèn)小鼠的衰老是否得到了逆轉(zhuǎn)，比如身體細(xì)胞的基因表達(dá)和染色體DNA的狀態(tài)被顯著改善，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小鼠傷口愈合的能力得到了增強(qiáng)，小鼠的整體代謝狀況也有改善，這些都是正常衰老中常見(jiàn)的問(wèn)題。
NAD+能修復(fù)DNA嗎？
面對(duì)表觀基因組回歸正常的問(wèn)題，除了基因編輯技術(shù)外，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)相關(guān)藥物也獲得了越來(lái)越多的關(guān)注。
煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)作為具有通用功能的輔酶，幾乎參與了所有能量代謝。除作為循環(huán)使用的遞電子體，作為被消耗的供體/底物，NAD+參與sirtuins活化、NADPH合成、PARPs激活等途徑，發(fā)揮從組蛋白修飾到DNA修復(fù)的諸多作用。此前，來(lái)自辛克萊、哈佛醫(yī)學(xué)院和新南威爾士大學(xué)的一組研究人員在《科學(xué)》雜志上的文章中，發(fā)表了對(duì)NAD+分子的研究，結(jié)果顯示，這種分子能夠阻斷一種抑制人體自然修復(fù)DNA能力的蛋白質(zhì)。
一方面，NAD+可以作為底物通過(guò)PARP參與DNA修復(fù)。NAD+參與DNA修復(fù)，主要因?yàn)樗蔷跘DP核糖聚合酶（PARP）的底物，PARP家族中PARP-1、PARP-2和PARP-3參與DNA修復(fù)。有了NAD+， PARP才能發(fā)揮相應(yīng)作用。而PARP也是細(xì)胞中NAD+主要的消耗者之一，被PARP用完的NAD+變成了煙酰胺NAM，隨后匯入補(bǔ)救途徑，在NAMPT、NMNAT等酶的幫助下再次合成NAD+。在DNA修復(fù)過(guò)程中，大量NAD+通過(guò)補(bǔ)救途徑合成，以維持供需平衡。
另一方面，NAD+可以作為底物通過(guò)Sirtuins參與DNA修復(fù)。Sirtuins是七種蛋白質(zhì)的家族，在細(xì)胞健康中發(fā)揮作用。Sirtuins是一種從細(xì)菌到人類(lèi)高度保守的去乙?；福℉DAC）類(lèi)。這類(lèi)HDAC的顯著特點(diǎn)是酶的催化活性取決于NAD+，并受NAD+/NADH比的動(dòng)態(tài)變化調(diào)節(jié)。
乙酰化是一種蛋白質(zhì)的翻譯后修飾，它可以影響蛋白質(zhì)的催化活性、穩(wěn)定性以及與其它蛋白質(zhì)或染色質(zhì)結(jié)合的能力。Sirtuins可以使組蛋白、一些轉(zhuǎn)錄因子和胞質(zhì)內(nèi)的蛋白去乙酰化，從而調(diào)控它們的功能，但Sirtuins僅在所有活細(xì)胞中的輔酶NAD+存在下才能發(fā)揮作用。
人們認(rèn)為，與年齡相關(guān)的DNA修復(fù)能力下降會(huì)導(dǎo)致?lián)p傷積累增加，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞衰老。Sirtuins對(duì)于DNA修復(fù)、控制炎癥和抗氧化防御必不可少，這使其成為良好的抗衰老靶點(diǎn)?；诖?，NAD+的水平將會(huì)成為修復(fù)DNA抗衰老的重要因素。這也為科學(xué)家們提供了更多關(guān)于衰老研究的視角。
就目前來(lái)說(shuō)，我們都會(huì)衰老，都會(huì)死亡，但人們正在進(jìn)行一場(chǎng)更廣泛的抗衰老運(yùn)動(dòng)，聲勢(shì)與日俱增?？梢源_定的是，在科技與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的深入下，衰老一定會(huì)被克服?；蛟S，逆轉(zhuǎn)衰老比我們想象的更近。