“見說嵩陽有仙客，欲持金簡問長生?！遍L生不老，是人們從古至今的追求與期待，最直接的方法是保持健康、延緩衰老。衰老是一個目前無法終止、緩慢而復(fù)雜的過程，往往伴隨著身體機能下降以及各類疾病的發(fā)生。研究衰老的生物學(xué)機制成為了眾多科學(xué)家關(guān)注的重點。
美國加州大學(xué)圣地亞哥分校郝楠教授團隊題為“Engineering longevity—design of a synthetic gene oscillator to slow cellular aging”的工作于2023年4月27日發(fā)表于權(quán)威期刊Science。實驗人員以酵母菌作為研究對象，利用合成生物學(xué)技術(shù)設(shè)計基因振蕩器成功將酵母細胞壽命延長82％。
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?該文章報道封面。圖片來源：Science期刊官網(wǎng)
早在2020年郝楠教授團隊就找到了與酵母細胞死亡相關(guān)的兩種衰老模式，分別由賴氨酸脫乙酰酶Sir2蛋白和血紅素激活蛋白（heme activator protein，HAP）介導(dǎo)?！八ダ夏Ｊ?”中，維持基因組位點穩(wěn)定性和核仁穩(wěn)定的Sir2失活，導(dǎo)致核糖體DNA（rDNA）無法繼續(xù)維持沉默，核仁擴大、碎裂，細胞死亡前產(chǎn)生細長子細胞；“衰老模式2”中，HAP失活導(dǎo)致血紅素含量顯著下降，線粒體功能衰退，細胞死亡前產(chǎn)生圓形子細胞。
?圖注：Sir2和HAP介導(dǎo)同源酵母細胞的差異性衰老。圖片來源：Yang Li, et al./ Science 2020
有趣的是，在酵母細胞功能衰退走向死亡的關(guān)鍵節(jié)點，衰老并非兩種模式共同累計導(dǎo)致的結(jié)果，酵母細胞僅僅“選擇”其中一條衰老通路運行直至生命消逝。即便是生活在相同環(huán)境中具有相同遺傳物質(zhì)的酵母細胞也會沿兩種模式逐漸衰老。約一半的細胞衰老是由于rDNA的穩(wěn)定性逐漸下降，而另一部分細胞則因線粒體功能損傷、衰退而衰老。
為進一步了解兩種衰老模式的特點及關(guān)聯(lián)，研究人員人為干預(yù)Sir2和合成HAP的主要成分HAP4在酵母細胞中的表達。特異性敲除Sir2后，HAP活性顯著增加，血紅素豐度上升；特異性敲除HAP4后，rDNA沉默增加，核仁構(gòu)象穩(wěn)定。HAP4過度表達時，大部分細胞Sir2失活，rDNA沉默減少，呈現(xiàn)“衰老模式1”；Sir2過度表達時，血紅素含量降低，呈現(xiàn)“衰老模式2”的細胞比例增加，不過Sir2過表達時還出現(xiàn)了第三種衰老模式，即同時保持高rDNA沉默和高血紅素豐度，這種細胞的壽命也更長。
?圖注：計算模型揭示了Sir2-HAP回路的多重穩(wěn)定性，這使設(shè)計新的衰老模式成為可能。圖片來源：Yang Li, et al./ Science 2020
這一新發(fā)現(xiàn)讓研究人員思考是否能夠通過基因編輯或化學(xué)干預(yù)等方法影響Sir2和HAP4兩種蛋白表達，進而重新編程細胞衰老方式，延緩酵母細胞衰老。他們決定從基因?qū)用娓膶懰ダ匣芈?。為了?jié)省時間和資源，郝楠教授團隊通過計算機進行了酵母細胞衰老生物機制的模擬實驗，測試實驗設(shè)計，構(gòu)建、修改酵母細胞中基因回路。
?圖注：構(gòu)建合成基因振蕩器以重新編寫酵母細胞衰老過程。圖片來源：Zhen Zhou, et al./ Science 2023
為了使HAP對Sir2進行強有力的正向轉(zhuǎn)錄調(diào)控，團隊使用細胞色素C1（CYC1）啟動子取代了SIR2本地啟動子，該啟動子被HAP結(jié)合并激活。在刪除了酵母細胞內(nèi)源HAP4拷貝后，團隊設(shè)計了由磷酸三酯脫氫酶啟動子（TDH3）介導(dǎo)的HAP4基因高轉(zhuǎn)錄表達的構(gòu)建體，同時在受Sir2調(diào)控沉默的rDNA的非轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)（NTS）亦有HAP4結(jié)構(gòu)整合插入。上述即為電路整合的全部內(nèi)容，二者構(gòu)成負反饋回路來阻止衰老過程，即HAP升高的同時激活Sir2表達，而高濃度的Sir2會反過來抑制HAP，Sir2水平下降后rDNA不再繼續(xù)沉默，表達HAP4，依次循環(huán)往復(fù)。
?圖注：對照組細胞和合成組細胞衰老進程的動態(tài)變化對比。圖片來源：Zhen Zhou, et al./ Science 2023
編輯后的酵母細胞內(nèi)高水平的Sir2和HAP來回切換，像時鐘的鐘擺一樣有節(jié)律地擺動，故而研究人員將其稱為“基因振蕩器”。這一“基因振蕩器”驅(qū)使細胞周期性地在兩種不同的“衰老”狀態(tài)之間切換，避免長時間在一個衰老過程中發(fā)展下去，從而減緩細胞的退化。
?圖注：基因振蕩器維持rDNA沉默和血紅素生成之間的動態(tài)平衡。圖片來源：Zhen Zhou, et al./ Science 2023
團隊通過微流控技術(shù)和延時顯微鏡來追蹤酵母細胞生命周期中的衰老過程，實驗結(jié)果顯示，與正常衰老的對照組酵母細胞相比，加設(shè)了“基因振蕩器”的酵母細胞的壽命增加了82%，這一成果也創(chuàng)造了通過遺傳和化學(xué)干預(yù)延長壽命的新紀錄。
郝楠教授團隊并未將衰老當(dāng)做一個靜態(tài)可以被徹底終結(jié)的過程，不同于以往簡單敲除或過表達衰老相關(guān)基因的實驗，他們設(shè)定的“基因震蕩器”有效減緩了酵母細胞衰老的進展，顯著增長了細胞壽命。細胞不同于電路板，由軟物質(zhì)構(gòu)成，具有內(nèi)在的變異和進化能力，即使沒有外部刺激也能發(fā)生變異。
這項工作的發(fā)布，不僅標志著在衰老機制上科學(xué)家們又跨出了關(guān)鍵一步，同時也為使用合成生物學(xué)技術(shù)延長復(fù)雜生物壽命奠定了基礎(chǔ)，正如Science的高級編輯L. Bryan Ray博士說的那樣：“酵母細胞有一個轉(zhuǎn)錄切換開關(guān)，導(dǎo)致它們以兩種命運中的一種死亡：一種是通過細胞核衰退導(dǎo)致死亡，另一種是通過線粒體衰亡。通過將這種轉(zhuǎn)錄開關(guān)重新連接成一個負反饋回路，Zhou等人能夠使酵母細胞在這兩種狀態(tài)之間擺動，并將其壽命延長82%。這些結(jié)果代表著向使用工程原則設(shè)計控制復(fù)雜生物性狀的合成基因回路邁進了一步。”
參考文獻：
[1]Zhou, Z., Liu, Y., Feng, Y., Klepin, S., Tsimring, L. S., Pillus, L., Hasty, J., & Hao, N. (2023). Engineering longevity-design of a synthetic gene oscillator to slow cellular aging. Science (New York, N.Y.), 380(6643), 376–381.[2]Li, Y., Jiang, Y., Paxman, J., O"Laughlin, R., Klepin, S., Zhu, Y., Pillus, L., Tsimring, L. S., Hasty, J., & Hao, N. (2020). A programmable fate decision landscape underlies single-cell aging in yeast. Science (New York, N.Y.), 369(6501), 325–329.
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