裂开的DNA被好好修复了，你就会一直变老，但不修复可能会死
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哈佛大学的遗传学教授David Sinclair在20多年前，曾提出了一个解释衰老的理论：DNA双链断裂或者严重损伤导致的表观遗传学信息丢失，是生物衰老的一个关键原因。这个理论曾遭受了很多质疑。不过通过13年的研究，他们不仅在小鼠中证实了这个衰老理论，并且揭示了一种新的方法可以逆转衰老。
撰文 | clefable
审校 | 栗子
电影《盗梦空间》中，垂垂老矣、行将就木的日本富商斋藤在自己华丽的宅邸中，见到了一个刚被手下逮捕的中年人。他看着眼前的人，记起曾经见过他......并说自己正在“一个人在孤独地等死”。中年人哀伤的双眼凝视着斋藤说道，“我回来提醒你，一件你曾经知道的事情.....你必须放手一搏，一起回去，这样我们就能重回年轻。”
而现实中的我们，谁不曾想象能重回过去，改变一下自己的人生呢？虽然，我们人类面对的衰老，就像一支往一个方向射出去的箭，永不回头。不过在自然界中，有些生物一直挑战这种规律，例如似乎可以永生的灯塔水母（Turritopsis dohrnii）。
过去的一些关键研究，让我们更好地理解自身的衰老，也为人类逆转衰老带来了启发。例如，2013年美国加州大学洛杉矶分校教授史蒂夫·霍瓦斯（Steve Horvath）建立了一个衰老时钟，也称为“Horvath's Clock”。这个时钟通过对基因组上的甲基化情况（涉及基因组上的353个CpG位点）进行加权组合，判断一个人的生物学年龄。
加州大学洛杉矶分校教授 Steve Horvath （图片来源：维基百科）
基于这一时钟，胚胎和多功能干细胞的生物学年龄为0。而几乎所有的癌症样本的生物学年龄都超过了35岁。而此时此刻，在我们体内，这个时钟也一直在嘀嗒作响。
不过，让衰老时钟归零的方法，在这项研究发表的7年前就出现了。2006年，日本科学家山中伸弥发现只需要4种转录因子：Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc（它们也叫山中因子，统称OSKM），就能将体细胞诱导成为多功能干细胞。被诱导后，体细胞原有的身份会被清除，生物学年龄也会变成0。
除了带来震撼和医学上的应用之外，这一重大发现也促使很多科学家开始尝试利用OSKM来逆转一些生物的衰老，例如实验室中常用的小鼠。一些研究发现，OSKM能减轻因患病而早衰的小鼠的症状，并且延长它的寿命。不过，很多研究还发现，如果让小鼠持续表达OSKM，它们会出现畸胎瘤，还可能在几天内就死亡。
人老，是丢失了哪种信息？
哈佛大学医学院的遗传学教授David Sinclair也是这些科学家的一员。13年来，他领导的团队一直试图证明一个“衰老的信息理论”（也称为“RCM”hypothesis），即在一个细胞或生物体内，表观遗传学信息的持续丢失以及伴随而来的噪音（而不是基因信息本身丢失），会破坏基因的表达模式，进而让生物失去功能和衰老。但在此之前，很多科学家都认为基因突变等导致的基因信息丢失，才是衰老的主要原因。
从人体的构建过程中，我们可以粗略了解下表观遗传学。每个人的生命都是从一个微小的胚胎起步，胚胎中的细胞会不断地增殖、分化，最终发育成人体，而一个健全的人体内有200多种细胞。这些细胞基因组完全相同，但是形态、功能却差异很大。它们也是我们丰富的感官、鲜活生命力和复杂思维等等的来源。
在我们降生之前，每一种细胞都已经大体分化完成。它们表达的基因，会严格受到特定表观遗传学的调控，比如一定要表达哪些基因，而不表达另外一些基因。至此之后，细胞内的表观遗传学信息需要保持不变，以便维持功能和形态的稳定。
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Sinclair等人认为，当细胞的DNA出现随机的双链断裂或遭受一些外来损伤时，参与表观遗传学调控的分子——包括多种组蛋白修饰酶和去乙酰化酶等，会去参与DNA的修复，并需要在修复后回到原来的位置，以维持对基因表达的调控。但随着损伤的一次次出现，某一次，它们不再回到原来的位置，而是去到了别的位点。随着这种现象的不断出现，细胞原来的表观遗传学信息就会渐渐丢失，而基因表达和细胞功能开始混乱，细胞也会逐渐走向衰老，随之而来的是整个个体的衰老。
不同类型的DNA损伤，可能会发生在基因组的任何地方。此前一些研究发现，很多类型的DNA修复并不会导致衰老，如核苷酸切除修复（NER）和碱基切除修复（BER）。可以说，DNA双链断裂（DSB）是一种特殊情况，这种损伤会对细胞生存造成严重威胁（可能会导致细胞癌变、死亡等）。而在面对这样的损伤时，细胞为了生存，才会选择破坏表观基因组，开始衰老。
不过，除了证实“衰老的信息理论”外，Sinclair等人还想知道细胞逐渐衰老时，是否会保留早年时的表观遗传学信息副本，来作为逆转衰老的指令。在2020年发表于《自然》的论文和近期发表于《细胞》的研究中，他们不仅用小鼠实验证实了这一理论，还借助改进后的OSKM系统实现了逆转衰老。
人为制造衰老
为了证明DNA双链断裂会引发衰老，在发表于《细胞》的研究中，Sinclair和同事进行了这样一个实验。他们向小鼠胚胎中引入含有内切酶I-PpoI的系统。在小鼠体内，I-PpoI在受到药物诱导后，会切断细胞中的DNA双链。由于切割位点主要位于非编码区，因此几乎不会造成基因突变。那些经过特殊处理的小鼠也被称为ICE小鼠。
他们想借助这个实验，模拟自然成长的小鼠遭受有害射线或者其他损伤后，出现DNA双链断裂的情况，不过实验可能是现实的加速版本。起初，ICE小鼠和正常小鼠在行为、活动和饮食上没有明显不同。但变化很快就来了。1个月后，ICE小鼠开始出现一些问题，例如脱发，脚、尾巴、耳朵和鼻子的皮肤褪色等等。此时的它们还很年幼，但身体看上去已经进入中年了。
ICE小鼠（下面的小鼠）体内的DNA双链断裂增加后，它的衰老明显加快了，10个月后出现了很明显的衰老特征，它们也出现了明显的脊柱后凸情况（右边）。但没有这种情况的小鼠却很好（上面的小鼠）。（图片来源于论文）
当ICE小鼠10个月大时，它的脆弱指数（frailty index，包括体重、皮毛状况、握力、机动性、视力和听力）都和24个月大的老年小鼠相似了。此外，它们还有了一些很明显的衰老特征，包括食物摄入量增加、脊柱后凸和皮质骨厚度减少等。
除了这些外在的变化，研究人员还检测了ICE小鼠的肾脏、大脑以及肌肉的情况，发现这些组织也都明显衰老了。例如，在肌肉组织中，一些基因的表达变得十分混乱，而这种情况通常只会出现在老年小鼠中。另外，通过比较ICE小鼠和同年龄的正常小鼠肌肉和血液的样本，他们发现ICE小鼠在表观遗传学上的衰老速度，比正常小鼠要快50%。
基因表达乱了
在分子层面上，ICE小鼠的变化更加惊人。在小鼠这样的真核生物体内，一个细胞的特性由其内部染色质的空间接触、染色质隔离（基因组被分成对独立的区域，区域之间的基因调控彼此隔离，有利于维持基因表达的稳定性）以及启动子-增强子通讯来决定。
在更细节的层面，一个细胞的特性是由富含h3k27ac蛋白修饰的超增强子（Super-enhancer，能显著提高基因表达）维持的。h3k27ac是一种乙酰化修饰，通常和基因转录激活相关联，h3k27ac更多的DNA区域，基因的表达会更活跃。此外，DNA上的一种甲基化修饰——H3K27me3也能决定基因的表达情况，基因上这种修饰减少，基因的表达就会越强。而维持这些修饰离不开多种组蛋白修饰酶、去乙酰化酶以及甲基化酶等等。
研究人员发现，在ICE小鼠中，当DNA双链断裂后，细胞会招募这些酶对DNA断裂的位点进行修复。当这些酶修复后回到了错误的位点，或者细胞内无法产生足够的酶、需要调用其他位点的这类酶来修复DNA时，都会改变表观遗传信息，例如染色质的空间接触被扰乱、染色质隔离减弱，以及启动子-增强子通讯被打乱。而这一打乱，有可能进一步导致另一些参与DNA断裂修复的酶也回不去原来的位点了。
在ICE小鼠的整个基因组中，受到这些酶的影响，那些原本表达非常活跃的基因区域中，h3k27ac的数量会减少，表达不那么活跃了，而那些此前表达不活跃的区域，可能会出现h3k27ac，表达活性就会增强。这也意味着，在ICE小鼠中，细胞的基因表达变得更加混乱了，表观遗传学信息在瓦解——也可以理解为细胞在“熵增”。
而细胞也会因此失去自己本来的身份，那么它们会变成什么样呢？研究人员发现，在ICE小鼠中，纤维细胞的一些基因上的H3K27me3甲基化修饰会减少，使这些基因表达更多，而它们通常会在神经元中表达。这也意味着，一些纤维细胞慢慢出现了神经元细胞的特征。不仅如此，一些肌肉细胞的基因表达也渐渐有了免疫细胞的特征。而这些在ICE小鼠中出现的变化，原本只会出现在已经迟暮的小鼠中。
逆转甲基化时钟
ICE小鼠遭受着比正常小鼠更严重的DNA损伤，它们也在以更快的速度老去。不过，拯救它们的方法，其实在3年前已经出现了。让我们把时间拨回2020年，看看研究人员发表在《自然》上的那项研究。
正如前文所说，Sinclair震惊于OSKM（四种山中因子）清零细胞年龄的效果，但只想用它来逆转细胞的生物学年龄，而不是完全清零。此外，为了规避OSKM会引发肿瘤的副作用，他们尝试去除了其中四种转录因子中的一种——c-Myc，将剩下的3个转录因子（统称为OSK）导入小鼠的成纤维细胞和小鼠体内。这个尝试的结果很好，无论是细胞还是小鼠，癌症发生率都没有增加。在这之后，他们开始探索OSK系统在视神经中逆转细胞衰老的效果。
在哺乳动物体内，中枢神经系统（CNS）会最先因为衰老而丢失再生能力。在胚胎时期和新生儿时期，视网膜神经节细胞（Retinal ganglion cell，RGC）能对受损的轴突进行修复，但数天之后，它们就会丧失这种能力。研究人员将OSK系统分别导入了RGC轴突受损的小鼠（轴突受损组）、患青光眼的小鼠（青光眼组）以及老年的小鼠（老年组），想要看看逆转衰老的效果。
首先来看轴突受损组，OSK系统导入后第12~16周，小鼠RGC的轴突会重新生长，延长超过5毫米，到达视神经和大脑脑区相连的地方。在受伤后，RGC的甲基化年龄会显著增加，而OSK似乎会抵消这种效应。
当RGC轴突损伤，相比于不做任何处理（从上往下，第1张），利用OSK系统诱导12周（从上往下，第2张）和16周（第3张）后，神经元轴突显著延长（轴突是图中的发光细丝）。图片来源于论文
他们发现，OSK能调控2种参与DNA去甲基化过程的酶（由基因Tet1和Tet2表达），而后者会增加促再生因子Stat3的表达，促使轴突再生。如果抑制Tet1或Tet2的表达，RGC的生存率和轴突再生都会被抑制。
对于青光眼组，研究者发现接受OSK治疗的小鼠视神经轴突的密度会恢复，且因眼压升高而丧失的视力，也能恢复一半。这也是首次证实OSK系统能恢复因青光眼而导致的视力降低等问题。
而在老年组，OSK系统能将小鼠RGC的生存率提高一倍，促进神经元轴突再生。此外，衰老会导致RGC中464个基因的表达发生改变，但在OSK治疗后，其中90%的基因恢复到了年轻时的表达状态。这一结果似乎也证实了Sinclair等人之前的猜测，尽管细胞在逐渐衰老，但它们似乎保留了早年时的表观遗传学信息副本，用于逆转衰老。
OSK系统在人体的视神经元中，也具有一定的效果。当利用长春新碱（vincristine）伤害人的视神经元，神经元的轴突损伤和DNA甲基化年龄增加后，导入OSK系统同样能有效抵消这些影响，而这一过程极其依赖OSK对Tet2基因的调控。
由此可见，OSK对视神经元的恢复比较成功，那它会如何改变ICE小鼠呢？他们发现，ICE小鼠细胞中表达OSK后，一些和年龄相关的基因表达变化会比较明显。ICE小鼠细胞的表观遗传年龄逆转了57%。当ICE小鼠经过5周的OSK治疗后，肾脏和肌肉中的衰老标记都显著下降。在12个月大的ICE小鼠视网膜的RGC中，上调的基因中有七成都会参与细胞的发育过程，其中大部分都是经过OSK治疗后恢复的，而这些基因中又有86%是神经系统发育基因。
“我们相信，这些研究首次显示了表观遗传变化是导致哺乳动物衰老的主要驱动力，”Sinclair说：“我们希望这些结果能被视为人类控制衰老的一个转折点。这是第一个研究表明，我们可以精确地控制一种复杂动物的生物学年龄：我们可以随意把它变大或变小。”
不过还有一些问题，研究并没有解答，例如DNA双键断裂（DSB）是如何推进表观遗传时钟的变化。有一种可能性是DSB导致了参与去甲基化的TET酶和DNA甲基转移酶的重新定位。这些酶重新定位到修复部位，直到修复完成，可以维系细胞的生存。然而，随着时间的推移，持续的DSB会导致染色质因子（例如参与甲基化和乙酰化修饰的酶）分散等等，从而使细胞和组织老化。幸运的是，哺乳动物保留了年轻时的表观遗传信息的备份副本，可以有效地恢复旧组织的功能，这有点类似于清空电脑，重新安装软件。
《细胞》论文的共同第一作者Jae-Hyun Yang说，“我们希望这些发现将改变我们看待衰老过程的方式，以及我们治疗与衰老相关的疾病的方式。”不过在此之前，这些研究结果需要在大型哺乳动物和人类中进行重复，对非人类灵长类动物的研究目前正在进行中。
值得一提的是，今年1月，在一项发表于预印本平台bioRxiv的研究中，来自美国生物技术公司的Rejuvenate Bio的科学家利用OSK系统导入老年小鼠（相当于人的77岁）体内，使它们平均剩余寿命（18.5周）比于同年龄的小鼠（8.86周）增加了109%。在这一过程中，这些衰老小鼠的脆弱指数有了显著改善，这意味着我们有机会在延长寿命的同时，改善健康。
熟悉DNA双链断裂的朋友，可能曾读过之前发布的文章：“为了好好学习，你大脑里的DNA都裂开了”（点击阅读）和“你的DNA时刻都在断裂，只有睡够了才能修复它”。其中依次提到了学习时，神经元中的DNA双链会断裂，而好好睡觉后，这些DNA双链断裂才会修复。当前的这篇文章中，提出了修复DNA双链断裂是导致人衰老的一个关键原因，其中没有特意提到神经元。而它们之间的关系，这篇文章并没有给出解答，期待时间会给出一个答案。
参考来源：
https://hms.harvard.edu/news/loss-epigenetic-information-can-drive-aging-restoration-can-reverse
https://hms.harvard.edu/news/vision-revision
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2975-4（2020年的Nature）
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867422015707?via%3Dihub（2023年发表于Cell的文章）
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4015143/（Horvath's Clock的论文）
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.01.04.522507v1（预印本文章）
https://www.nature.com/articles/508168a
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