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蔡时青，博士，中国科学院脑科学和智能技术卓越创新中心研究员，博士生导师，入选国家基金委杰出青年基金和中组部万人计划科技创新领军人才。蔡时青研究组长期从事神经系统衰老和离子通道功能调控机制。回国以来，在Nature、Molecular Cell、Nature Communications和Journal of Neuroscience等国际期刊发表通讯作者论文数篇。2月26日，Nature在线发表了中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)蔡时青研究组与上海巴斯德研究所江陆斌研究组的最新研究进展，他们发现，两个保守的表观调控因子妨碍健康衰老。该工作通过利用多种模式生物及人类大脑基因表达数据库，进行全基因组遗传筛选，发现了调节认知衰老的新基因。
表观遗传调控健康衰老
罗 云，袁 洁，蔡时青
(中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心)
摘要：衰老是自然界普遍存在的现象。衰老伴随着组织和器官功能的逐渐衰退，最终导致生物体死亡。衰老也是人们罹患老年性疾病如心血管疾病、神经退行性疾病、癌症、糖尿病等的主要风险因素。因此，延缓衰老对于预防和治疗衰老相关的疾病意义重大。衰老与遗传和表观遗传改变密切相关。最近，Nature杂志发表了中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心蔡时青研究组与中国科学院上海巴斯德研究所江陆斌研究组的合作成果。该研究发现了两个新的保守的表观调控因子妨碍健康衰老。
在过去的一个世纪里，大多数国家的人均寿命都在稳步增长，老年人的数量不断增加。但是，人类预期寿命延长的同时，也面临着诸多衰老相关疾病的困扰，如心血管疾病、神经退行性疾病、癌症、糖尿病。研究衰老对于防治这些老年性疾病意义重大。近年来，衰老研究已经取得了一些重要进展，科学家们利用酵母、线虫、果蝇、小鼠等模式生物，发现了上百个能够调控寿命的基因。这些基因参与了机体内复杂有序的信号通路，而且在不同物种中具有高度的保守性【1-4】。然而，一些长寿基因只是延长了生物体寿命，并没有延缓衰老伴随的行为退化【5-7】。如果延长寿命只是延长了人们老年多病、失能甚至老年痴呆相伴的不健康寿命，这对人们来说犹如噩梦。因此，研究行为退化和认知衰老的调控机制对于应对老龄化社会尤为重要。
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衰老中表观遗传的改变
机体的寿命是由遗传和非遗传因素共同决定的。调查数据显示，在影响寿命的因素中非遗传因素大约占70%【8】。越来越多的研究成果表明，通过操纵环境因素如限制能量摄入【9】、降低基础代谢速率【10】、提高应激能力【11】等方法，可影响机体的寿命和健康。这些发现提示，环境因素可以通过改变表观遗传修饰影响机体的寿命和衰老速率【12】。由于表观遗传的可逆性，针对表观遗传的衰老研究可能会为防治衰老相关的疾病和行为退化提供新方法和新思路。
表观遗传是指基于不改变DNA序列而基因表达发生的可遗传变化。在衰老研究中，由外部或环境因素引起的表观遗传学改变主要包括DNA甲基化的改变引起染色质上基因表达的改变、组蛋白修饰的改变或者染色质重塑相关复合体的改变引起染色质构象的改变【13】。在细胞核中，染色质的基本结构单位是核小体，核小体是由DNA和组蛋白构成的。染色质按其形态特征和活性状态分为常染色质和异染色质。常染色质中染色质纤维折叠压缩程度低，相对处于伸展状态，基因转录活性较高。异染色质的结构压缩程度高，处于聚缩凝集状态，因此与常染色质上的基因相比，异染色质区域的基因不易被启动表达。异染色质与常染色质的状态并不是一直不变的，表观遗传修饰可以通过改变染色质的构象调控生物体的寿命【14】。最近的研究结果表明，在正常衰老和早衰模型中，表观遗传修饰发生了明显改变【13】。
在哺乳动物中，DNA甲基化与基因的转录抑制、基因组印记、X染色体沉默密切相关。CpG二核苷酸中5-mC (5-methylcytosine)是最常见的DNA甲基化类型。通过检测人体组织样品中的CpGs甲基化状态，研究者发现，随着年龄增长启动子区域CpG发生高甲基化，启动子外部区域发生低甲基化【15】。也有研究认为，以DNA甲基化水平为基础的年龄预估模型可以预测机体内多组织的生理年龄【16-17】。但是，DNA甲基化影响衰老的具体机制目前还不清楚。
组蛋白翻译后修饰是指组蛋白在相关酶的催化作用下发生甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等修饰的过程。组蛋白是核小体的重要组成部分，其N-末端氨基酸残基的不同修饰会影响组蛋白与DNA双链的亲和性，改变染色质的疏松或凝集状态，进而改变基因启动子与转录起始复合物的亲和性，最终调控基因的表达。在正常衰老或早衰模型细胞中，组蛋白甲基化的水平发生改变。组蛋白甲基化是由组蛋白甲基转移酶和组蛋白去甲基酶动态调控的，通过改变酶活性或酶的表达量可以调节机体的寿命【18】。如在线虫中降低H3K27m3去甲基酶UTX-1 [human UTX(Ubiquitously transcribed TPR on X)homolog, utx-1]的表达能够促进长寿【19】。另外，衰老中甲基化修饰的组蛋白在基因组上的分布也会发生改变。在衰老细胞中，核纤层蛋白B1的表达量降低会导致H3K4me3和H3K27me3位点特异性重构【20】。组蛋白乙酰化也是常见的表观遗传修饰，与染色质中DNA与组蛋白的联结直接相关。越来越多的证据表明【21-23】，组蛋白乙酰化在调控机体寿命过程中发挥着重要作用。组蛋白的乙酰化/去乙酰化主要依赖于组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferases, HATs)和组蛋白去乙酰酶(histone deacetylases, HDACs)的催化。有研究表明，通过聚胺亚精胺抑制HATs的活性，降低染色质中组蛋白乙酰化水平，可以延长生物体寿命【24】。同样，HDACs (如sirtuin蛋白家族)在机体衰老中也发挥着重要的调控作用。如限制能量摄入促进健康长寿的信号通路与sirtuin蛋白家族密切相关；sirtuins对于神经系统衰老过程中成体神经再生、突触可塑性、认知、节律、神经保护等功能非常重要【25-26】。因此，sirtuins也是很多抗衰老研究的作用靶点【27】。
衰老过程中染色质重塑复合物的改变会影响机体的寿命。染色质重塑复合物主要参与调节染色质中核小体的定位、染色质的折叠、染色质在细胞核内的组织定位等。在衰老模型中，染色质的异常改变与核小体重塑和去乙酰化酶复合体(nucleosome remodeller and deacetylase, NuRD)的活性密切相关。在早衰症(Hutchinson-Gilford progeria syndrome, HGPS)的细胞和健康衰老的细胞中，NuRD的组分组蛋白结合蛋白RBBP4(histone-binding protein 4)、RBBP7(histone-binding protein 7)表达下调【28】。在酵母和线虫中，敲除或破坏染色质重塑因子中的ISWI复合物组分可以直接延长寿命【29】。这些研究表明，通过染色质重塑复合物调节染色质的状态可以影响机体衰老。
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表观遗传调控健康衰老的新机制
2月26日，国际学术期刊Nature在线发表了中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)蔡时青研究组与上海巴斯德研究所江陆斌研究组的最新研究进展，他们发现，两个保守的表观调控因子妨碍健康衰老【30】。该工作通过利用多种模式生物及人类大脑基因表达数据库，进行全基因组遗传筛选，发现了调节认知衰老的新基因。
2.1 全基因组遗传筛选寻找抗衰老基因
研究人员选取线虫作为模式生物进行衰老研究，因为线虫个体小、生命周期短、易于实验室培养；遗传背景清楚，便于进行遗传操作；线虫许多基因的功能在哺乳动物中也是保守的。蔡时青研究组前期工作发现，在线虫衰老过程中五羟色胺和多巴胺的水平下降和行为退化是由二者共用的合成酶BAS-1 (biogenic amine synthesis related-1)随着衰老表达明显下降造成的【5】，因此可以以BAS-1的表达水平作为指示神经递质系统退化的分子标记。研究人员利用BAS-1蛋白融合GFP(green fluorescent protein)表达的转基因线虫进行全基因组RNAi筛选，通过三轮的筛选检测，得到59个能够延缓行为能力衰退的候选基因。通过构建这些候选基因相互作用网络，他们发现，baz-2(bromodomain adjacent to Zinc finger domain, 2A/2B, homolog)和set-6[SET(trithorax/polycomb)domain containing]这两个基因位于网络中的关键节点上。研究人员检测了baz-2和set-6突变体线虫的进食能力、雄虫交配能力等行为的退化速度以及突变体的寿命，结果发现，突变体线虫比野生型线虫健康且长寿。
2.2 表观遗传调控因子调控H3K9甲基化和线粒体功能
结合线虫中的行为检测结果和蛋白免疫共沉淀实验，研究人员确定BAZ-2和SET-6相互作用，在同一个信号通路中发挥作用。BAZ-2蛋白具有保守的PHD结构域和Bromodomain，能够识别被修饰的组蛋白。SET-6蛋白具有SET结构域，推测具有H3K9甲基转移酶的功能。研究人员通过体外酶活、免疫印迹等实验证实，BAZ-2和SET-6能够调控H3K9甲基化水平；通过体外组蛋白甲基转移酶实验证实，BAZ-2和SET-6能够调控H3K9甲基化水平；通过ChIP-Seq实验说明，BAZ-2和SET-6发挥功能是通过调节H3K9甲基化水平进而抑制线粒体功能相关基因的表达实现的。至此，研究人员在线虫中筛选得到了两个抗衰老基因，这两个基因能够通过调节H3K9甲基化水平，抑制线粒体功能相关基因的表达，进而调控线虫健康长寿。
2.3 表观遗传调控因子调节认知功能的退化
研究人员进一步探究了baz-2和set-6基因功能在哺乳动物中是否保守。通过体外培养的细胞实验，研究人员证实，BAZ-2和SET-6的同源蛋白BAZ-2B和EHMT1 (euchromatic histone lysine methyltransferase 1)功能是保守的，能够调控线粒体相关基因的表达。通过检索人类组织样品基因表达的数据库，研究人员发现在人类大脑中BAZ2B和EHMT1的表达量随衰老增加，并且与阿尔兹海默症病情进展呈正相关。研究人员进一步构建了基因敲除的小鼠模型，检测了线粒体功能和小鼠的表型，发现敲除Baz2b基因提高了小鼠一些脑区的线粒体功能；敲除Baz2b基因的小鼠不仅没有“中年发福”，认知能力也比同龄的野生型小鼠更好。这些结果说明BAZ2B在哺乳动物中也能调控衰老进程，是新的抗衰老靶标基因。
图1 表观调控因子妨碍健康衰老【30】
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结语与展望
在人口老龄化日益严峻的当今社会，延缓衰老相关的行为和认知功能退化、促进健康地衰老是衰老研究的重要目标。衰老过程中神经递质系统对行为和认知功能的退化发挥了重要作用。蔡时青研究组从神经递质系统入手，利用线虫在衰老研究中的优势进行全基因组遗传筛选，发现了一系列调控线虫行为退化的基因，并且鉴定出baz-2和set-6这两个表观调控因子能够调控线虫衰老。通过在小鼠模型上进一步验证这两个表观调控因子的保守性，研究人员成功解析了Baz-2b通过提高线粒体功能进而改善老年小鼠认知行为的重要机制。通过对阿尔兹海默症病人大脑中BAZ2B和EHMT1的表达变化分析表明，这两个保守的表观调控因子和阿尔兹海默症进程呈正相关，提示其在大脑病理性衰老中具有重要作用。
环境条件改变导致机体内表观遗传的改变，进而影响机体寿命和健康。但是，在这个过程中，表观遗传调控因子是如何感知环境改变、如何特异性改变衰老相关基因的表达的？生活方式如何影响表观遗传调控进而影响衰老？这些问题的进一步阐述将有助于理解大脑衰老的调控机制，为预防大脑衰老和神经退行性疾病提供理论依据和技术支持。
说明：原文发表在《生命的化学》杂志，经授权BioArt全文转载！
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