请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版
 找回密码
 立即注册
戴客 首页 科技资讯 科技前沿 前沿技术 查看内容

科学家在小鼠身上实现细胞年龄逆转,濒死时恢复活力!

北极蚊子 2019-8-13 14:47

在圣地亚哥索尔克生物研究所(Salk Institute)基因表达实验室里,一只黑色小鼠弓背趴着,除了眼睛眨动之外,一动不动。它才三个月大,但由于患有早衰症(一种由基因突变引起加速衰老的疾病),它的器官正在衰竭,看起来离死亡只有几天时间。

而 Juan Carlos Izpisúa Belmonte 接下来展示了让人难以置信一幕。在经过一种年龄逆转相关的治疗后,这只小鼠变得活泼起来。“它完全恢复了活力,”Izpisúa Belmonte 露出顽皮的笑容,“如果你看看内部,很明显,所有的器官,所有的细胞都变年轻了。”

Izpisúa Belmonte 是一位精明而温和的科学家,似乎拥有一种不可思议的力量,能使衰老、濒死的动物恢复活力,让时光倒流。他实验室里这些衰老的小鼠,就像是喝下了青春之泉。

但让人大吃一惊的同时,扫兴的事情也随之而来。尽管在小鼠身上使用的这种恢复年轻活力的疗法非常有效,但是它们要么在三四天后死于细胞功能障碍,要么患上了后来导致它们死亡的肿瘤。或许可以说,这是重返短暂青春的沉重代价。

科学家们在小鼠身上使用的强大疗法,被称为“重编程”。这是一种重置人体所谓表观遗传标记的方法,这些表观遗传学标记是细胞内的化学开关,它决定细胞内哪些基因是打开和关闭。擦去这些表观遗传学标记,细胞就忘记了它曾经是皮肤细胞还是骨细胞,并恢复到更原始的胚胎干细胞状态。因此这项技术也经常被实验室用来制造干细胞。

有一群科学家对表观遗传重新编程技术寄予厚望,想把它应用到各种动物身上,Izpisúa Belmonte 是其中的先锋人物。如果能够精确控制的话,他们甚至希望该技术能应用于人体。

Izpisúa Belmonte 认为,表观遗传的重新编程可能被证明是一种“长生不老药”,将显著延长人类的寿命。

图 | 圣地亚哥索尔克生物研究所(Salk Institute)基因表达实验室的 Juan Carlos Izpisúa Belmonte

在过去的两个世纪里,发达国家的人口预期寿命增长了两倍多。由于儿童疫苗、系安全带宣传等,今天的人类已经比以往任何时候都更能达到自然老去。但是,每个人的寿命仍然是有限的,这是因为我们的身体无法逃避衰变和恶化带来的衰老。

“衰老,”Izpisúa Belmonte 写道,“只不过是发生在细胞水平上的分子畸变。”这是一场没有一个人赢过的与熵之间的战争。

但每一代人都带来了新的可能性,因为当一个新的胚胎形成时,表观基因组会在繁殖过程中重置。克隆技术也利用了重编程原理,从成年公牛身上克隆出来的小牛,含有与亲本相同的 DNA,只是更新了。在这两种情况中,后代出生时都没有积累 Izpisúa Belmonte 所说的“畸变”。

因此,科学家们提出,能否更进一步,在不创造新个体的情况下逆转与年龄有关的畸变。这些变化包括表观遗传标记的改变——组蛋白和甲基化标记的化学基团,它们包裹在细胞的 DNA 周围,起着调控基因开关的作用。

随着年龄的增长,这些变化的积累会导致细胞的功能降低,包括 Izpisúa Belmonte 在内的一些科学家认为,这可能是我们变老的部分原因。如果是这样的话,那么通过重编程来逆转这些表观遗传变化,则可能会让我们逆转衰老。

不过,Izpisúa Belmonte 也提醒说,表观遗传的改变不会让你“长生不老”,但它们可能会推迟你的死亡日期。在他看来,没有理由认为我们不能把人类的寿命至少再延长 30 到 50 年。

“我想那个能活到 130 岁的孩子已经和我们在一起了。他已经出生了。我相信。”Izpisúa Belmonte 说。

年轻的奥秘

Izpisúa Belmonte 逆转小鼠衰老的治疗方法,是基于日本干细胞科学家山中伸弥(Shinya Yamanaka)获得诺贝尔奖的一项发现。

2006 年,山中伸弥教授通过在人类成年细胞中仅仅添加四种转录因子,实现了对体细胞的重新编程,使体细胞的外观和行为诱导变成和胚胎干细胞一样。这些被称为 Yamanaka 因子(又称山中因子)的蛋白质,通过清除细胞的表观遗传标记来发挥作用,相当于给细胞一个新的开始。

这些被人为重新编程的细胞被称为诱导多能干细胞(iPSc)。就像胚胎中的干细胞一样,如果给予正确的化学信号,它们可以变成任何一种身体细胞——皮肤、骨骼、肌肉细胞等等。

科学家们还发现,即使是百岁老人的皮肤细胞,也可以被重新恢复到原始的年轻状态。Izpisúa Belmonte 表示,所有的甲基化标记,即那些表观遗传开关,都被抹去之后,你又重生了。

对于许多科学家们来说,山中伸弥的发现,为制造用于新型移植治疗的替代组织提供了希望。在日本,研究人员已经对一名 80 多岁的日本妇女的体细胞进行重新编程。研究人员从她的细胞中提取样本,用体细胞重编程技术将它们恢复到胚胎干细胞状态,然后诱导它们变成视网膜细胞。2014 年,这名妇女成为第一个接受这种实验室制造的组织移植的人。虽然这并没有使她的视力变得更敏锐,但据报告她的视力确实变得“更明亮”,视力也不再恶化。

图 | 一个装有染色液的容器,用于组织研究

不过,在此之前,西班牙国家癌症研究中心 (Spanish National Cancer Research Centre) 的研究人员通过研究那些基因组中含有额外山中因子拷贝的老鼠,已经把这项技术推向了一个新的方向。

他们证明细胞重编程实际上可以发生在成年动物体内,而不仅仅是在实验室的培养皿中。实验提出了一种全新的医学形式,即使一个人的整个身体恢复活力,重返青春。

但这也凸显了其中的危险。清除过多的甲基化标记和表观基因组的其他足迹,“你的细胞基本上就失去了它们的特性,”索尔克研究所一名与 Izpisúa Belmonte 一起工作的研究员 Pradeep Reddy 说,“你在抹去它们的记忆。”这些被抹去记忆的细胞可以成长为一个成熟的、有功能的细胞,也可以成长为一个没有能力完成指定任务的细胞,它也可以变成癌细胞。

这就是文章开头提到 Izpisúa Belmonte 实验室里看到的小鼠,很容易长出肿瘤的原因。细胞重编程确实在它们的体内发生了,但结果却也是致命的。

相比之下,在自然界中蝾螈可以自然地重新长出胳膊或尾巴。虽然科学家们至今尚不清楚两栖动物是如何做到这一点,但有一种理论认为,这是通过表观遗传重编程的过程实现的,类似于山中因子的作用,只是作用范围受到限制。Izpisúa Belmonte 说,对于蝾螈来说,它们的细胞“只是往回走了一点”。

受此启发,Izpisúa Belmonte 相信,或许有一种方法可以让小鼠进行低致死剂量的重新编程。

同样的事情会发生在整个动物身上吗? 能够让人重返青春吗?

2016 年,研究小组设计了一种方法,可以在患有早衰症的小鼠身上部分重编程细胞。

首先,研究人员对小鼠进行基因改造,使其体内在给予多西环素(doxycycline)的情况下产生山中因子。然后,在 Izpisúa Belmonte 实验室中,一些小鼠被允许连续饮用含有多西环素的水;而在另一项实验中小鼠每 7 天只有 2 天允许饮用含有多西环素的水。

“当给予小鼠多西环素时,基因的表达就开始了。一旦移除,基因的表达就会停止。你可以很容易地打开或关闭它。”Reddy 解释说。

图 | Izpisúa Belmonte 实验过程中的笔记本和空离心管

结果显示,获取多西环素最多的老鼠,很快就死了。但是,饮用有限剂量水的老鼠没有发生肿瘤,相反,他们变得更加强壮,肾脏和脾脏工作得更好,心脏跳动得更厉害。

总体而言,接受治疗的小鼠寿命比同窝出生的对照同伴长 30%。“这就是好处,”Izpisúa Belmonte 说,“我们没有杀死小鼠,我们没有让小鼠产生肿瘤,我们让小鼠重返青春。”

青春之泉

当 Izpisúa Belmonte 在 Cell 杂志上将他的成果发表,描述这些恢复了青春活力的小鼠时,一些人觉得这就像是佛罗里达的发现者、西班牙探险家 Ponce de Leon 终于发现了苦苦寻找的“青春之泉”。

追求类似衰老逆转技术的 AgeX 首席执行官 Michael West 表示,“我认为,Izpisúa Belmonte 的论文唤醒了很多人。突然间,衰老领域的研究者都说,‘哦,天哪,这可能对人体有效’。”

对于 Michael West 而言,这项技术为人类提供了一种前景,就像蝾螈一样,人类可以再生组织或受损的器官。“当我们刚刚形成的时候,我们也有这种能力,所以如果我们能够重新唤醒这种能力……哇哦!”

但是对于其他人来说,逆转衰老的证据显然还处于萌芽阶段。纽约阿尔伯特·爱因斯坦医学院遗传学系主任 Jan Vijg 说,衰老是由“数百个不同的过程”组成的,简单的解决方案是不可能实现逆转衰老的。他认为,从理论上讲,科学可以“创造出强大到可以凌驾于其他所有过程之上的过程”。但他补充说,“我们现在还不知道。”

图 | Izpisúa Belmonte 在工作

一个更深层次的疑问是,Izpisúa Belmonte 在他的实验室里逆转的表观遗传变化,究竟是衰老的真正原因,还是仅仅是衰老的一种迹象——就好比老化皮肤上的皱纹。如果是后者话,Izpisúa Belmonte 的治疗可能就像祛除皱纹一样,纯粹是一种美容效果。

“我们没有办法知道,也没有证据表明 DNA 甲基化导致这些细胞衰老。”爱因斯坦医学院的 John Greally 教授说,“如果我改变那些 DNA 甲基化,我就会影响衰老,而放眼望去,到处都是危险信号。”

此外,还有一个基本问题笼罩在 Izpisúa Belmonte 的研究结果上,虽然他成功地让患有早衰症的小鼠恢复了活力,但他还没有在正常的老年动物身上做到这一点。

早衰症是一种由单个 DNA 突变引起的疾病。斯坦福干细胞生物学和再生医学研究所 (Stanford Institute for Stem Cell Biology and Medicine) 助理教授 Vittorio Sebastiano 表示,自然衰老要复杂得多。这种恢复活力的技术在自然衰老的动物和人类细胞中有效吗? 起码到目前为止,Izpisúa Belmonte 的研究没有回答这个关键问题。

而 Izpisúa Belmonte 的团队也正在努力回答这个问题,恢复正常衰老小鼠活力的实验正在进行中。由于正常的小鼠可以活两年半,而早衰症的老鼠可以活三个月,所以收集证据需要更长的时间。“如果我们必须修改任何实验条件,”Reddy 说,“那么整个实验周期将不得不重复。”

编辑年龄

这么看来,即使重返青春真的能够实现的话,也还很遥远。但是,针对某些衰老疾病的更有限抗衰老版本,可能在几年内就会问世。

如果将山中因子比作一把散弹枪,可以清除所有与衰老相关的表观遗传标记,那么索尔克研究所和其它实验室目前正在开发的技术更像是狙击步枪,其目标是让研究人员能够关闭导致某种疾病的特定基因,或者开启另一种能够缓解疾病的基因。

Izpisúa Belmonte 实验室的 Hsin-Kai Liao 和 Fumiyuki Hatanaka 花了四年时间,改造了十分火热的 DNA 编辑系统 CRISPR-Cas9,使其成为一个控制旋钮。

最初的 CRISPR 基因编辑系统,可以让研究人员消除不需要的基因,而经过改造的 CRISPR 工具可以在保持基因序列不变的情况下,让一个基因开启或是关闭。

图 | Izpisúa Belmonte 在索尔克研究所的实验室

该实验室已经在患有肌营养不良的小鼠身上测试了这种工具,这种老鼠缺乏维持肌肉健康的关键基因。使用表观基因组编辑器,研究人员增加了另一种发挥替代作用的基因的表达。Liao 回忆说,接受治疗的小鼠在肌肉测试中表现得更好,它们的肌肉“变得更大了。”

这类研究的另一个成果来自加州大学欧文分校,在 Nature Communications 发表相关成果的研究人员 Marcelo Wood 声称,在一项测试中,激活衰老小鼠的一个基因可以提高它们的记忆力。“我们恢复了这些动物的长期记忆功能。”在相关表观遗传印记被移除后,与记忆有关的基因大量表达。

同样,杜克大学的研究人员也开发了一种表观遗传编辑技术(尚未在动物身上进行测试),以降低帕金森病相关基因的表达。杜克大学的另一个研究小组试图通过关闭调节胆固醇的基因,降低老鼠体内胆固醇的水平。Izpisúa Belmonte 实验室对肌肉营养不良的实验,以及致力于逆转糖尿病、肾病和骨软骨丧失的实验,都使用了类似的方法。

对这些技术的首次人体测试很可能在未来几年内进行。目前,追赶这项技术的两家公司是 AgeX 和 Turn Biotechnologies,后者是斯坦福大学的 Sebastiano 联合创办的创业公司。AgeX 公司首席执行官 West 表示,AgeX 正着眼于心脏组织。而据 Sebastiano 表示,Turn 将首先寻求获得监管机构的批准,以测试骨关节炎和与衰老相关的肌肉萎缩的治疗方法。

与此同时,由索尔克前研究员 Ilir Dubova 创办的生物技术公司 GenuCure 正在筹集资金,以实现软骨再生的想法。Dubova 表示,该公司有一种“鸡尾酒”疗法,它将被注射到患有骨关节炎的人的膝关节囊,一年一两次。这样的治疗可以取代昂贵的膝关节置换手术。

Dubova 说,“在注射后,由于衰老而沉默的基因会被激活,多亏了我们魔法般的技术,组织开始再生过程。我认为倒拨时钟是一种恰当的解释方式。”

文章点评