文|觀察未來科技
DNA作為遺傳信息的儲存者，處在中心法則的起始環(huán)節(jié)，DNA的損傷和修復會直接影響細胞命運。其中，DNA損傷是DNA復制過程中發(fā)生的DNA核苷酸序列永久性改變，并導致遺傳特征改變的現(xiàn)象。隨著年齡的增長，細胞修復DNA的能力下降，從而導致?lián)p傷累積，最終導致細胞功能異常，修復能力不足，從而導致人體衰老直至死亡。
早在20多年前，哈佛大學的遺傳學教授David Sinclair就提出了用DNA損傷來解釋衰老的理論。這個理論曾遭受了很多質(zhì)疑，不過，在今天，越來越多的研究已經(jīng)證實了David Sinclair這個衰老理論，并且，David Sinclair的研究團隊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，為何會迎來衰老和死亡？整個20世紀，科學家都試圖發(fā)現(xiàn)衰老的秘密。從遺傳的角度來看，DNA作為遺傳信息的載體，深刻影響著細胞命運和個體的生老病死。其中，表觀遺傳學對生物衰老的作用尤其明顯。
顧名思義，表觀遺傳學把“表觀”和“遺傳”聯(lián)系起來研究，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制。比如，一個受精卵在持續(xù)分裂中產(chǎn)生形成人體的數(shù)十萬億個細胞，這些細胞的遺傳物質(zhì)DNA都來自同一個受精卵，差別極其微小，但這些細胞本身卻承載了許多差異巨大的生物學功能。一對基因組DNA完全相同的同卵雙胞胎，剛出生的時候從相貌到行為幾乎沒有差別，但伴隨著成長發(fā)育和人生起伏，兩者的差異會越來越明顯。
早在2011年，研究人員就已經(jīng)進行了這樣的嘗試：觀察人類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)十個位置的甲基化和年齡相關(guān)，而其中區(qū)區(qū)三個位點的甲基化修飾水平就可以很好地預測人類個體的年齡。其中，DNA甲基化是一種生物過程，是DNA化學修飾的一種形式，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，是一種外遺傳機制，對細胞的正常發(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，還能進一步提高前者對后者的預測準確度?；诖?，研究人員提出了“表觀遺傳時鐘”的概念。研究人員認為，人類基因組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，哈佛大學醫(yī)學院David Sinclair實驗室的一項研究為這個問題提供了另一個重要的解釋視角。哈佛大學的研究人員認為，是DNA分子的隨機斷裂破壞了表觀遺傳修飾的穩(wěn)定性，從而導致了生物的衰老。
具體來看，研究人員利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)在小鼠體內(nèi)表達一個來自多頭絨泡菌的核酸內(nèi)切酶，它可以在小鼠基因組的20個特定位置上切割雙鏈DNA，制造一個DNA斷口。這種特殊的斷口能夠被及時修復，而不會引起DNA序列本身的變化，但卻能夠顯著改變小鼠的表觀遺傳學特征，撥快了小鼠的表觀遺傳學時鐘。
結(jié)果顯示，這種特殊斷口大大加快了小鼠各種生理指標的衰老過程，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，運動技能下降，認知功能受損等。
這項研究首次說明了擾亂生物的表觀遺傳學修飾本身就足以引發(fā)快速的衰老，給予科學家們一種全新的視角來理解衰老的發(fā)生。
逆轉(zhuǎn)衰老的可能
實際上，我們的DNA總是不斷受到攻擊。平均來說，我們46條染色體中的每條在細胞每次復制DNA時都會以某種方式斷裂，在我們的身體里，斷裂次數(shù)每天超過2萬億。這僅僅是發(fā)生在復制過程中的斷裂。另一些則是由自然輻射、環(huán)境中的化學物質(zhì)以及我們所受的X射線和CT掃描造成的。如果我們沒有辦法及時修復我們的DNA，就會造成表觀遺傳學的改變，造成衰老。
不過，雖然哈佛大學的研究人員證實表觀基因組能加速小鼠的衰老，但同時，科學家也發(fā)現(xiàn)這一進程是可以逆轉(zhuǎn)的。打個比方，如果電腦軟件崩潰，只需要重新啟動就可以解決；而如果硬件受損，那就很難使它重新正常運作了。細胞運行也是如此。如果是基因突變導致細胞衰老，那么這一進程是不可逆的。而哈佛大學的研究人員認為，表觀基因組的改變正是電腦軟件的崩潰，換言之，衰老過程中細胞的“硬件”并未損壞，利用存儲的基因副本，細胞可以重啟工作進程。
為了實現(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，研究人員通過基因治療來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個基因，而這些基因在小鼠體內(nèi)會促使細胞在表征上分化為腎臟細胞和表皮細胞。這些基因來自于一套被稱為“山中四因子”的基因組，由諾獎得主山中伸彌（Shinya Yamanaka）于2006年發(fā)現(xiàn)。它可以使成年細胞恢復胚胎時期的干細胞形態(tài)，并開始不斷分裂和分化。
通過這3個基因，小鼠細胞的表觀基因組得到修復，它們的衰老時鐘也回溯了約57%。研究人員表示，他們對這一方法的普遍性也感到驚訝。而迄今為止，他們在小鼠體內(nèi)還沒有發(fā)現(xiàn)一種無法逆轉(zhuǎn)衰老進程的細胞。
事實上，在此前，科學家們對如何逆轉(zhuǎn)衰老就已經(jīng)有了一定的研究。2006年，日本科學家山中伸彌在《細胞》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)涞孛娴募毎校藶楸磉_四個基因，分別是Oct4, Sox2，Klf4和c-Myc，簡稱OSKM，也被稱為“山中因子”——這些細胞能被重新推上山頂，變成具備各種分化潛能的干細胞狀態(tài)。
很快，有人開始在臨床試驗中嘗試用這樣的方法治療疾病。原因很簡單，原本可能需要做異體器官移植的患者，借用這項技術(shù)，就可以用自己的身體細胞，加上山中因子重新誘導回干細胞狀態(tài)，再定向分化成需要的器官，進行移植就可以了。比如，2016年，美國索爾克研究所的Juan Carlos Izpisua Belmonte實驗室就短暫地啟動四個山中因子幾天到十幾天時間，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在實驗過程中，山中因子不會導致腫瘤發(fā)生，反而會逆轉(zhuǎn)小鼠身體細胞和多個器官的衰老，大大延長早衰癥小鼠的壽命。
在2022年3月7日，同一個實驗室的科學家們在《自然 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)定期表達四個山中因子，并用了一系列別的方法來間接確認小鼠的衰老是否得到了逆轉(zhuǎn)，比如身體細胞的基因表達和染色體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，小鼠的整體代謝狀況也有改善，這些都是正常衰老中常見的問題。
NAD+能修復DNA嗎？
面對表觀基因組回歸正常的問題，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修復的諸多作用。此前，來自辛克萊、哈佛醫(yī)學院和新南威爾士大學的一組研究人員在《科學》雜志上的文章中，發(fā)表了對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DNA能力的蛋白質(zhì)。
一方面，NAD+可以作為底物通過PARP參與DNA修復。NAD+參與DNA修復，主要因為它是聚ADP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。有了NAD+， PARP才能發(fā)揮相應作用。而PARP也是細胞中NAD+主要的消耗者之一，被PARP用完的NAD+變成了煙酰胺NAM，隨后匯入補救途徑，在NAMPT、NMNAT等酶的幫助下再次合成NAD+。在DNA修復過程中，大量NAD+通過補救途徑合成，以維持供需平衡。
另一方面，NAD+可以作為底物通過Sirtuins參與DNA修復。Sirtuins是七種蛋白質(zhì)的家族，在細胞健康中發(fā)揮作用。Sirtuins是一種從細菌到人類高度保守的去乙酰化酶（HDAC）類。這類HDAC的顯著特點是酶的催化活性取決于NAD+，并受NAD+/NADH比的動態(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?；瑥亩{(diào)控它們的功能，但Sirtuins僅在所有活細胞中的輔酶NAD+存在下才能發(fā)揮作用。
人們認為，與年齡相關(guān)的DNA修復能力下降會導致?lián)p傷積累增加，進而導致細胞衰老。Sirtuins對于DNA修復、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?；诖耍琋AD+的水平將會成為修復DNA抗衰老的重要因素。這也為科學家們提供了更多關(guān)于衰老研究的視角。
就目前來說，我們都會衰老，都會死亡，但人們正在進行一場更廣泛的抗衰老運動，聲勢與日俱增。可以確定的是，在科技與現(xiàn)代醫(yī)學的深入下，衰老一定會被克服。或許，逆轉(zhuǎn)衰老比我們想象的更近。