Nature重磅综述 | 衰老信息论

学术 2024-05-15 12:28 北京

翻译 by 杨宽、王子轩、刘定一、蔡琳果、平佳乐、吴若晨

时间的车轮滚滚向前，人类在不懈的探索中逐渐揭开了衰老的神秘面纱。然而，尽管科学家们已识别出衰老的十二大特征，那些隐藏在表象之下，驱动衰老变化的神秘力量，依然如同遥远星系中的星辰，闪烁着未知的光芒，吸引着科学家们去探索和解读。2023年12月，美国哈佛大学医学院的David A. Sinclair教授等人在Nature Aging上发表了题为“The Information Theory of Aging”的文章，其中衰老信息论（The Information Theory of Aging, ITOA）为人们提供了一个新的视角——衰老是一个表观遗传信息逐渐丧失的过程，而通过表观遗传重编程，可以找回这些丢失的信息，从而恢复受损或衰老组织的功能，实现延缓衰老的目标。这一理论不仅为解码衰老机制提供了新的线索，也为延缓衰老进程和治疗相关疾病开辟了新的途径。

摘要

信息的存储与恢复对所有生命都至关重要。生物中信息的主要储存方式为：核酸构成的基因组作为基础蓝图，而DNA和组蛋白的化学修饰调节表观基因组基因表达模式，并赋予细胞特定的身份和功能。与遗传信息稳定的数字特性不同，表观遗传信息以数字模拟格式存储，容易受到不同环境和细胞损伤的影响。衰老信息论（The Information Theory of Aging, ITOA）指出，衰老过程由年轻的表观遗传信息的逐渐丢失所驱动，通过表观遗传重编程来恢复年轻的表观遗传信息则可以改善受损和衰老组织的功能，从而延缓衰老。

背景

在过去的三十年里，衰老研究领域取得了长足的进步，目前人们已经对驱动衰老过程的潜在机制有了基本的了解。对衰老的认知已经扩展到包括量化衰老、减缓衰老进程甚至开发在某些情况下逆转衰老的技术。目前科学家已确认至少有12个衰老特征，包括干细胞耗竭、线粒体功能下降、蛋白质和能量稳态受损、端粒缩短和细胞衰老加剧等。但是最初是什么导致了这些变化的发生？是否有一个上游过程驱动它们？基于将酵母与哺乳动物衰老联系起来的新发现，作者试图回答这些问题并提出一个统一的假设。

从本质上讲，生命就是信息。生物信息有两种主要的存储方式。一种是核酸形式，RNA或DNA以核苷酸串的形式编码“数字”信息。另一种是由表观基因组编码的“数字模拟”信息形式，表观基因组是一个由转录网络、RNA、DNA环、DNA结合蛋白和染色质修饰组成的复杂系统，它们共同控制基因表达、细胞身份、DNA修复和对细胞环境的响应。

无论是基于电子模拟还是生物模拟的信息存储系统，都存在一个主要问题，就是它们容易受到噪声的影响，这可能会造成原始信息的掩盖。随着时间的推移，生物模拟信息会被读取、复制和因细胞受损而中断，因此很容易丢失。1948年，通信工程师兼数学家Claude Shannon阐述了一个防止信息丢失的重要数学解决方案。Shannon指出，在信息交互中，信号是由发送者传递给接收者的，在此过程中，噪声会掩盖原始信号。为了在复制或传输过程中保存信息，Shannon引入了一个“观察者”，他可以访问“备份副本”。观察者可以看到发送的内容和接收的内容，记录传输中出现的任何错误，并向接收方发送纠正数据以将消息恢复到其原始和真实的形式，这与互联网和TCP/IP确保所有原始数据在传输中保真的工作方式类似。

基于酵母和哺乳动物在细胞衰老中表观遗传信息丢失的作用研究，以及表观遗传信息恢复表现出潜在的再生结果，作者将Shannon的概念应用于生物学并制定了ITOA（图1a），这是一个用来解释众多衰老特征的根本原因的理论框架。作者探索了ITOA的概念，认为衰老过程是由细胞信息的逐渐丢失驱动的，并主要是以表观遗传信息的形式导致细胞身份的改变。这些信息可以通过部分表观遗传重编程（一种可能在生命早期用于修复和重建受损组织器官的系统）来恢复。ITOA有趣的一个点为其与“衰老的体细胞突变理论”不同，它解释了为什么不同的个体一开始具有独特的个体基因组，且随机地积累突变，却表现出相似的衰老变化。ITOA的一个更有趣的含义是，每个细胞内都可能存在年轻的表观遗传信息库，使基因表达得以恢复，从而使细胞重新获得细胞身份。最近的发现证明了哺乳动物组织中的表观遗传年龄逆转以及由此导致的组织功能恢复和寿命的增加，作者讨论了表观遗传年轻化疗法的发展方向，期待其可用于治疗损伤、衰老相关疾病和衰老本身。

框1：定义

核小体（Nucleosome）：147 bp的DNA包裹在八聚体组蛋白周围，由两个H2A-H2B二聚体和一个H3-H4四聚体组成。

染色质（Chromatin）：一种核小体-蛋白质复合体，将3米长的DNA包装到1-5微米的细胞核中。

常染色质（Euchromatin）：一种开放的转录激活染色质状态。

异染色质（Heterochromatin）：一种浓缩的转录沉默染色质状态。

生物数字信息（Biological digital information）：一组离散的序列值，在生物学中由核苷酸序列编码。

生物数字-模拟信息（Biological digital–analog information）：一系列连续的数值，在生物学中主要由表观遗传修饰、蛋白质DNA相互作用和染色质的三维结构编码。它们基于数字遗传信息，但受环境和细胞损伤的影响。

表观突变（Epimutation）：表观基因组的可遗传改变，包括DNA和组蛋白修饰以及染色质结构改变。

分化异常（Exdifferentiation）：由表观遗传噪音的引入引起的细胞特性丧失，导致表观遗传漂移破坏基因表达。也被称为分化失常。

部分重编程（Partial reprogramming）：使用重编程因子来部分逆转细胞的年龄，而不会使其成为干细胞或失去细胞身份。

拓扑结构域（Topologically associating domains，TAD）：染色质的一个结构单位，其特征是在结构TAD内部相互作用频率较高，在不同结构TAD之间相互作用频率较低，大小为50kb–2Mb。

年轻化（Rejuvenation）：使衰老细胞或有机体恢复年轻状态的过程，包括逆转衰老、损伤或退化的影响，通常伴随身体机能的改善。

Yamanaka因子（Yamanaka factors）：四种核转录因子，OCT4、SOX2、KLF4和MYC（OSKM），可以将体细胞转化为诱导多能干细胞，是典型的重编程因子。

DNA甲基化时钟（DNA methylation clock）：一组DNA CpG甲基化位点，其甲基化状态可用于预测年龄和死亡风险。

表观遗传信息丢失：真核生物衰老的一个原因？

衰老的体细胞突变理论指出，衰老是由突变的积累引起，这些突变改变了基因表达模式和蛋白质的氨基酸序列。支持这一理论的是哺乳动物寿命和突变率之间的相关性。此外，在一些模拟早衰的综合征（如Werner综合征和共济失调毛细血管扩张症）中存在DNA修复缺陷，且人为诱导大量DNA断裂会触发小鼠的早衰（图1b）。然而，这些研究没有区分潜在的原因究竟是基因组还是表观基因组的变化，因为两者都可以由DNA损伤引发。尽管突变确实会发生并影响衰老过程，但越来越多的证据表明衰老的主要原因可能是表观遗传变化。例如，酵母细胞在每个生命周期中积累的突变少于一次，但仍会衰老；突变和癌症风险增加的人类有时不会表现出任何早衰特征；同样，在小鼠中，由低水平非诱变DNA断裂引起的表观基因组变化（表面上不会改变基因组或引起遗传毒性应激）会加速类似衰老的变化，包括DNA甲基化年龄增加、衰老相关的转录变化、生理变化和疾病，这些都与衰老表型相似；在许多哺乳动物中，衰老过程中的表观遗传漂变在许多位点上非常相似，这使得准确、通用的表观遗传时钟得以发展。此外，在哺乳动物中，较低的表观遗传漂变率与更长的最长寿命相关。猜测表观遗传原因导致衰老的其它方面包括：观察到同卵小鼠和人类双胞胎的衰老速度不同，以及从老年体细胞克隆出来的哺乳动物可以健康、正常地生活。最近，在没有明显逆转突变的情况下，衰老的细胞和组织可以通过表观遗传学重编程为更年轻的状态以延长寿命，这一观察结果表明，衰老的很大一部分原因是非遗传性的。

Sinclair和Oberdoerffer在2009年提出了染色质修饰因子的再定位（relocalization of chromatin modifiers, RCM）假说，被认为是ITOA的前身，即染色质因子在响应DNA损伤信号时从基因转移到DNA断裂位点，且无法返回，导致年轻基因表达模式的逐渐丧失，特别是在包括发育基因和转座子等的热点区域。这项研究揭示了DNA损伤是哺乳动物表观遗传信息丢失的驱动因素，并提出这是哺乳动物衰老的一个原因。

图1 衰老信息理论

基因组和表观基因组中编码的生物信息需要不同的传输和保存模式。作者理论的一个核心概念是，表观遗传信息随着时间的推移逐渐丢失是衰老的关键驱动因素，而且这种信息丢失是可逆的。a，衰老过程中表观遗传信息的丢失。表观遗传信息是在胚胎发育过程中形成的，是细胞维持其身份和功能所必需的。与由DNA损伤引起的突变相反，表观突变可以由多种类型的细胞应激引起，包括DNA双链断裂、病毒感染和物理或化学损伤。这些压力诱导染色质修饰蛋白的重新定位（RCM），改变组蛋白和DNA修饰并解除基因表达的调控，特别是在发育基因上。幸运的是，表观遗传信息的丢失似乎可以通过触发表观遗传重置系统来逆转。与Claude Shannon的“观察者”类似，细胞保留了年轻表观遗传信息的“备份副本”，可以通过表达某些胚胎基因，如Oct4、Sox2、KLF4（OSK）和Myc（Myc可省去）在成年组织中获取。这些基因启动了一个重置程序，涉及表观遗传修饰物的活动，以恢复基因表达和功能，本质上是作为Shannon的校正装置运行的。这个数字框架的灵感来自Shannon在1948年的作品《通信的数学原理》。M，年轻信息；M′，老年信息。b，衰老过程中遗传信息的丢失。遗传信息在细胞分裂过程中复制，其中的小错误来自不完善的DNA聚合酶活性，大错误来自DNA损伤。只要细胞能够识别哪个是原始的（同源重组修复），细胞就可以通过复制基因座的非突变拷贝来恢复原始遗传信息。遗传信息的丢失可能导致早衰症和癌症，基因编辑技术在修复突变和阻止疾病进展方面显示出了前景。

在许多类型的DNA损伤中，与衰老关系最密切的是DNA双链断裂（double-strand break，DSB）。因为未修复的DSBs通常对细胞是致命的，所以对DSB的响应是迅速的且是全基因组范围的。它始于一个DNA损伤信号，该信号将表观遗传调控因子（包括SIRT1、SIRT6和HDAC1）招募到DNA断裂位点，在那里它们通过修饰染色质和招募RAD51和NBS1等其它DNA修复蛋白来促进修复过程。一旦DNA被修复，这些双重功能染色质因子就会回到它们原来的基因组位置，恢复以前的基因表达模式。然而，随着时间的推移，在经历了损伤、募集和回归的循环后，并非所有的表观遗传调控因子都能回到它们的原始位点，从而逐渐改变表观基因组并改变基因表达。ITOA认为，细胞对损伤的反应是染色质改变和表观遗传失调的来源，这些改变和失调使细胞更容易受到DNA损伤的影响，从而建立了一个正反馈循环，加速了驱动衰老的基因表达变化。

DSBs导致表观遗传信息丢失的最初想法源于对芽殖酵母衰老的遗传研究。Guarente和其团队的研究发现“沉默信息调节因子”（SIR1–SIR4）是控制酵母细胞交配类型或性别的基因。不仅如此，它们还能修复断裂的DNA，当过度表达时，还能延长酵母的复制寿命。其中，SIR2最为保守，它编码一种依赖NAD⁺的组蛋白去乙酰化酶，该酶作为一种DSB修复因子，可以增强基因组的稳定性。随着细胞衰老，大量的DNA断裂主要发生在重复DNA位点，如核糖体DNA（ribosomal DNA，rDNA），导致沉默交配型位点长期缺乏Sir2。这种转变导致细胞同时表达两种交配型基因，使它们不育，这是酵母衰老的标志。这种机制可能已经进化到在修复DNA损伤时暂时中止细胞的交配能力。rDNA还产生染色体外rDNA环，当Sir2酶的丰度因蛋白质水解而随年龄下降时，该环扩增并隔离Sir2酶。因此，SIR2的额外拷贝或SIR2的过表达将酵母的寿命延长了30-82%。

与酵母类似，哺乳动物Sir2同源物SIRT1、SIRT6和SIRT7移动到DNA损伤位点以帮助DSB修复，导致数百个基因、卫星重复RNA和转座子的异位转录，从而增加炎症（图2）。由于每次染色质修饰子离开其位置时表观基因组景观不会完全重置，所以引入了表观遗传噪音，导致细胞身份丧失和细胞衰老。与酵母一样，RCM过程被认为是为了协调基因表达和DNA修复而进化的。

图2 发育、衰老和再生的表观遗传景观

在最初的Waddington景观比喻中，山谷代表细胞类型的特异性，从最高点的多能细胞开始，到达到分化状态时的最低点结束。在发育过程中，一系列复杂的表观遗传变化，包括DNA甲基化和翻译后组蛋白修饰，决定了基因表达的模式，为细胞提供了明确的细胞身份。通过将这一前景扩展到包括发育后事件，可以代表衰老过程中发生的细胞类型特异性的变化。与另一种认为衰老是发育过程的内在特征的理论不同，ITOA认为DNA损伤和各种细胞损伤会导致表观遗传景观的暂时改变，从而诱导提高细胞存活率的特定基因表达模式。然而，这些变化在受到损伤后不会完全复位，导致景观随着时间的推移而被侵蚀，细胞身份偏离其最初的分化状态，这一过程称为前分化或分化障碍。由于未知的原因，发育基因特别容易受到解除管制的影响。由此导致的表型突变积累会降低细胞和组织的功能和弹性，其速度与哺乳动物的最大寿命呈负相关。部分表观遗传重编程将表观基因组恢复到更年轻的状态而不会消除细胞身份，这可能是由于某些表观遗传标记的稳定性，如细胞类型特异性增强子的甲基化，从而恢复失去的功能，治疗衰老相关疾病并延长最大寿命。

RCM概念并非局限于Sirtuins家族。近年来，许多蛋白质被认为与年龄相关的表观基因组信息丢失有关，包括PARP-1、HDAC1、Wnt、REST复合物、多聚核抑制复合物2（Polycomb repressive complex 2，PRC2）和DNA甲基转移酶1（DNA methyltransferase，DNMT1）。已经有大量证据支持这一观点，包括：（i）DSB加速DNA甲基化时钟速率；（ii）DNA修复基因表达的增加与物种间寿命的延长相关；（iii）DSB修复效率与啮齿类物种的寿命相关；（iv）SIRT6在裸鼹鼠（一种以高度稳定的表观基因组景观和超长寿命闻名的啮齿类动物）中更活跃；（v）dSir2/Sirt1和Sirt6的过表达可延长果蝇和小鼠的寿命。

最初是酵母相关研究促成了ITOA理论，其指出表观基因组的干扰（称为“表观基因组噪音”）在衰老过程中起着至关重要的作用，不仅影响酵母，也影响其它多细胞生物。该理论认为，衰老可能源于一种进化机制，旨在平衡基因和表观遗传对细胞损伤的反应，这种机制被称为“生存回路”。随着时间的推移，该机制会破坏基因表达网络，导致表观信息的丢失。该理论认为，由DNA断裂和其他生存威胁导致的基因调控失调存在热点区域，尤其是发育基因。

ITOA也符合George Williams提出的拮抗多效性理论，一种进化衰老理论，其认为在年轻个体中能够提高生物体健康和繁殖能力的适应性的有益过程，在生命后期却是有害的。考虑到将Sirtuins招募到DNA损伤位点需要DNA损伤检查点信号，包括γH2AX和Mec1或ATM，RCM显然是一种适应性机制。染色质因子被招募到DNA断裂处可能是为了在不利环境中保持年轻细胞的活力，但随着时间的推移，这样会破坏表观基因组并加速衰老。

表观基因组的可塑性和衰老

基于Claude Shannon研究的ITOA理论有一个让人震惊的推论，如果表观信息丢失是衰老的驱动因素，那么是否存在可以用来重置细胞的备份副本呢？许多动物研究证明，衰老不仅是由表观遗传驱动的，甚至是可逆的。受精和胚胎发生的早期阶段为子代重置了生物学年龄，而无需纠正体细胞突变。克隆技术也表明衰老是可逆的：1958年，John Gurdon及其同事通过将成年青蛙细胞的细胞核转移到去核卵子中，克隆出了成年青蛙，这些克隆青蛙的寿命正常。Gurdon的工作延伸到了体型更大的动物，多利羊就是最著名的例子。自那以后，数十种克隆哺乳动物相继问世，并且都能正常存活。

2006年，山中伸弥及其研究团队发现了四种转录因子，即OCT4、SOX2、KLF4和MYC（OSKM），这些转录因子能够将体细胞重编程为诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）。这些iPSCs之所以引人注目，不仅是因为它们可以被诱导成多种细胞类型，还因为它们的表观年龄为零，并表现出年轻化的特征（图2）。山中因子加上另外两个因子（Nanog和LIN28）的表达可将衰老的人成纤维细胞重编程为具有年轻细胞特征的iPSCs，这些年轻化特征即使在它们转化为成纤维细胞后仍然保留。可见，将衰老的干细胞重编程为多能状态，然后再变回体细胞，也能实现功能上的年轻化，但如果是通过直接的品系转换，则无法实现。这些实验共同证明，细胞的表观年龄具有可塑性，可以重置，不受基因突变的影响，这些研究成果促进了通过表观重编程使细胞年轻化，同时保留细胞特性的研究工作（表1）。

表1 表观重编程恢复表观信息缺失的示例

衰老过程中表观遗传信息丢失的类型

表观基因组功能上类似于一个数字模拟系统，本身具有相对较高的不稳定性，而环境影响（如时间流逝、营养供应和不利条件）又加剧了这种不稳定性。表观遗传信息会随着时间的推移而逐渐丢失，ITOA正是基于这一概念。与基因突变形式的遗传噪音一样，表观遗传噪音也可以通过多种方式引入，如改变转录因子结合、染色质结构、RNA-DNA杂交、组蛋白修饰和DNA甲基化的突变等。

转录因子失调

与特定DNA序列（及其相关蛋白质和RNA）结合的转录因子在胚胎发育过程中确定了细胞特征，在生物体生命早期锁定了细胞类型的特异性转录特征。随着时间的推移，不同物种之间最常见的一些变化是修饰、蛋白水解减少和转录因子失调。例如，HOXA基因座由13个转录因子组成，在发育过程中控制身体极性，但在哺乳动物衰老过程中，由于组蛋白乙酰化、组蛋白甲基化的变化以及长程增强子-启动子相互作用的缺失，HOXA基因座出现了紊乱。在衰老过程中，转录因子的结合效率也会发生变化，JUN和FOXO就属于这种情况。最近对衰老小鼠组织进行的大规模转录组分析显示，转录因子调控网络以组织特异性的方式失调。

非编码RNA

非编码RNA（Noncoding RNAs，ncRNA）在发育过程中确定基因表达模式。长的ncRNA可通过与增强子相互作用或招募染色质修饰因子到目标位点，重塑染色质形态来激活或抑制基因转录。另一种主要的ncRNA被称为microRNA，主要通过阻断蛋白质翻译或降解mRNA靶点来抑制基因表达。一些与衰老相关的通路，包括DNA损伤反应、IGF-1信号传导、Sirtuin基因调控、mTOR和线粒体信号传导，部分受ncRNAs控制，这表明ncRNAs在调控衰老过程中起着驱动作用。事实上，在秀丽隐杆线虫、果蝇和哺乳动物中发现，某些microRNA会影响寿命，如过表达miR-17或miR-455-3p可延长小鼠的寿命。ncRNA还可形成RNA-DNA杂交，即R-loops，它们通常被视为促进突变的有害结构，但最近有数据表明，它们也能调节基因表达。在裂殖酵母中，R-loops的形成似乎是由Sir2介导的沉默的年龄依赖性抑制所触发的。在苍蝇中，R-loops是衰老过程中维持基因表达、神经元功能和视觉所必需的。然而，R-loops在哺乳动物衰老过程中的作用人们却知之甚少。

染色质结构的改变

染色质在细胞核内被设置为功能区，用来控制不同细胞类型的基因表达模式，这些功能区被称为异染色质和常染色质。这些区室部分通过相分离和核纤层来维持。1997年，Villeponteau和Imai与Kitano的两篇论文提出，异染色质的缺失可能诱导加速衰老，这一理论在近几年受到越来越多的关注。在酵母、秀丽隐杆线虫、果蝇和小鼠等模式生物衰老过程中，会出现异染色质的全面丧失。异染色质最重要的两个调节因子是异染色质蛋白1（heterochromatin protein 1，HP1）和H3K9me3，在多个物种的衰老过程中，这两个因子都会下调，这导致了染色质的异常松弛，还会导致其他细胞类型的基因异位表达。在哺乳动物中，随着年龄的增长，异染色质的丢失会减弱重复性元件（如逆转录病毒元件和内源性逆转录病毒元件）的沉默，从而引发炎症反应。衰老过程中细胞特征的缺失部分原因可能是核纤层蛋白B1的表达减少和截短的核纤层蛋白A的积累，以及对稳定染色质关键的核纤层相关区域受损。其他可能的原因包括DNA损伤诱导染色质相关蛋白SIRT1、SIRT6和多梳蛋白抑制复合物远离发育基因和其他RCM热点。

衰老过程中表观基因组的变化不仅仅发生在基因层面。随着年龄的增长，沉默区和活跃区之间的区别逐渐消失，由染色质环状结构促进，拓扑关联结构域（topologically associating domains，TADs）所隔绝的长程增强子-启动子相互作用也随之改变。目前还不清楚TAD和染色质分区模式为什么会随着时间的推移而发生变化，但潜在原因包括DNA断裂、H3K27ac模式的变化以及TAD边界锚蛋白CTCF和凝聚素水平的降低。值得注意的是，衰老过程中染色质的变化并不局限于异染色质，也可能发生在常染色质中，从而降低染色质整体的可及性，使表观遗传图谱更加平滑。

组蛋白修饰和丰度

100多种化学基团通过酶对组蛋白进行修饰。最常见的两种修饰是组蛋白甲基化和乙酰化。H3K9me3、H3K27me3和H4K20me2与沉默基因有关，而H3K4me3和H4K16ac则与活跃基因有关。在酵母、秀丽隐杆线虫、小鼠静息态干细胞和人复制性衰老细胞中，由于组蛋白丰度在衰老过程中下降，因此整个基因组的转录增加。与此同时，异染色质标记H3K9me3及其相应的甲基转移酶SUV39H1的丰度也随着时间的推移而下降。H3K27me3、H3K4me3、H3K36me3、H4K20me3、H3K56ac、H4K16ac的水平也会发生变化，在不同组织中其变化也各不相同。与组蛋白改变驱动衰老过程相一致的是，增加组蛋白的表达可延长酵母的复制型寿命，而通过操纵组蛋白"书写者"和"擦除者"的丰度来改变特定组蛋白标记的丰度，可延长酵母和秀丽隐杆线虫的寿命。

DNA 修饰

作为一种稳定的表观标记，DNA甲基化在发育过程中和发育后建立表观图谱和确定细胞特征方面发挥着重要作用。最近的研究发现，DNA甲基化模式在衰老过程中会发生可预测的变化。哺乳动物最常见的DNA修饰是CpG二核苷酸上的 5-甲基胞嘧啶（5mC）。在小鼠和人类中，DNA 5mC全面下降，而在一部分CpGs（包括多梳家族蛋白靶标和二价启动子）上，DNA 5mC增加。衰老过程中甲基化和去甲基化的双向变化是使用 DNA甲基化图谱作为衰老标志物的基础。

利用DNA甲基化来预测年龄首先是在特定的细胞和组织中实现的，包括人类唾液和血液样本。DNA甲基化模式随后被确定为个体不同组织衰老的通用生物标志物，通常被称为"Horvath时钟"。虽然时钟最初是以实际年龄为基础的，但它也可以作为生物学年龄的标记，预测健康状况和未来寿命。数十种动物的DNA甲基化时钟已经开发完成，包括小鼠、狗、裸鼹鼠、大鼠、蝙蝠、绵羊和人类。一种时钟可用于多种哺乳动物，而通过表观重编程逆转年龄需要将小鼠和人类细胞中活跃的DNA甲基化，这一事实表明，DNA甲基化水平的表观信息丢失可能不仅仅是衰老的标志，而是衰老的促成因素。

表观重编程能逆转衰老相关的信息丢失

ITOA认为细胞重编程是一个正常的生物过程，可使组织在受伤、发炎或衰老后再生。科学家把通过部分重编程实现表观年轻化比作“打磨划伤的光盘以获取上面的数码信息”，或“重新安装软件以恢复旧电脑的活力”，这一概念已经得到了修正和拓展。

虽然山中重编程因子于2006年被首次报道，但当时还不清楚他们是否可以安全地逆转衰老。通过OSKM将成人体细胞重编程为iPSC，可以将衰老的表观基因组重置，但这涉及表观基因组的完全重置和细胞身份的丧失，从而可能导致细胞生长失控甚至出现癌症。首次尝试在小鼠体内进行重编程时，出现了细胞身份丧失的情况，导致小鼠出现畸胎瘤并迅速死亡。但是，通过瞬时表达山中因子几天，或者只表达其中的一个子集（通常是OSK），就有可能部分重置表观基因组，并在不丧失细胞身份的情况下恢复组织年轻时的能力（表1）。

Belmonte研究小组在一种携带Lmna基因功能缺失突变的小鼠身上成功进行了首次体内重编程年轻化实验，这种小鼠患有Hutchison-Gilford综合症（一种早衰症）。当OSKM被诱导过表达超过一周后，小鼠死亡（表面上看是由于肝脏和肠道功能衰竭），或随着过表达时间增加，出现畸胎瘤。然而，当周期性的每周只诱导OSKM过表达2天时，多个器官的疾病症状得到缓解，小鼠的寿命延长了40%。后来的一项研究表明，即使在生命早期只诱导OSKM两周半，早衰小鼠的寿命仍然能延长15%。

与此同时，科学家还开发了一种诱导性腺病毒（adeno-associated virus，AAV）系统，仅表达山中因子中的三种因子OSK，而不表达Myc肿瘤基因，从而研究是否可以通过修复已丢失的表观信息来恢复衰老细胞的功能。在人类神经元中过表达OSK能以DNA去甲基化酶依赖的方式保护神经元免于死亡，而在老龄小鼠成纤维细胞中表达OSK时，它们能恢复年轻时的基因表达模式（表1）。重要的是，通过AAV9在小鼠体内进行长达18个月的系统性过表达OSK，结果表明肿瘤发病率没有明显增加，也不会对整体健康造成负面影响。当在衰老的有丝分裂期后的视网膜神经节细胞（retinal ganglion cells，RGCs）中表达山中因子时，转录特征和DNA甲基化特征恢复到更年轻的状态，与细胞增殖无关，过表达OSK使RGCs能够再生轴突，改善老龄和青光眼小鼠的视觉功能，而过表达一种或两种Yamanaka因子或单独表达Tet1 DNA去甲基化酶则无法达到这种效果。在青光眼小鼠的RGCs中持续表达OSK，可在一年的时间内改善视觉功能，不会产生明显的有害影响。这是目前唯一一种能够重置转录组和DNA甲基化以促进长期功能恢复的表观年轻化方法，同时还能减少细胞过度增殖、毒性或癌症风险，即使在基因持续表达的情况下也是如此。自2020年来，人们发现相同的AAV-OSK系统已用于其他疾病模型和物种。例如，AAV-OSK将2岁小鼠的剩余寿命延长了109%；它还缓解了多发性硬化症小鼠模型的视力损失，并改善了非动脉炎性前部缺血性视神经病变非人灵长类动物模型的视力。

图3：通过表观重编程使老化和受损细胞恢复活力

a,表观重编程逆转了与衰老和损伤相关的细胞身份缺失。ITOA指出，细胞损伤、感染和DNA断裂等压力因素会导致染色质修饰因子重新定位，加速表观信息的丢失，从而导致年龄相关的组织功能障碍。从多能细胞到年轻的功能性组织，再到受损的可塑性状态、老化的非可塑性状态，最终衰老（上图）。在分子水平上，衰老过程中的表观变化会导致表观年龄的增加以及细胞身份和功能的丧失（下图）。众所周知，视网膜神经元的物理损伤也会增加DNA甲基化年龄，并导致细胞身份丧失，甚至丧失功能（橙色圆圈，折线图）。在接受化疗、压力升高甚至噪音过大的情况下，也会产生类似的影响。可恢复的损伤，如手术和2019年严重的冠状病毒病，会暂时加快DNA甲基化的年龄，但随着时间的推移，衰老速率会趋于稳定（绿色圆圈，折线图）。b、表观年轻化可介导组织和器官的自然再生。ITOA认为，表观年轻化是一个正常的生物过程，可使组织从损伤或衰老中恢复。水螅和真涡虫可以再生身体部位，衰老速度极慢或根本不衰老；斑马鱼一生都可以再生鳍、心脏和肾脏；蝾螈可以在任何年龄替换复杂的身体部位，如四肢等。在哺乳动物中，小鼠可以再生脚趾尖，非洲刺鼠可以再生多种组织，而且它们的细胞也不会衰老。即使在人类身上，被切除的肝脏也能再生到原来的形状和大小。这些可再生物种中的某些细胞很可能通过表达多能因子或体细胞开启能够诱导表观年轻化的因子而自然保留了年轻化的能力，使其在表观上保持年轻，类似于人类胚胎干细胞和iPSCs；而非可再生物种则失去了这种能力，需要异位表达多能因子来启动这种年轻化和再生过程。在真涡虫中，Oct4靶标是“成体多能性干细胞”再生身体部位所必需的，Oct4、Sox2、Klf4和Nanog的同源物在整个再生组织中都有表达。转录因子MSX1在蝾螈的再生肢体胚芽中高表达，可部分恢复小鼠骨骼肌细胞的年轻的基因表达；STAT3是肝脏再生过程中快速诱导的转录因子，可通过部分抑制DNMT3B促进人类软骨细胞的年轻表观状态。

令人印象深刻的是，OSK和OSKM已被证明可以恢复年轻的转录谱，促进多种细胞类型和组织的再生。例如，在衰老的脂肪细胞和间充质干细胞中，单因子或双因子几乎没有或根本没有年轻化的作用，但结合包括OSK在内的四种山中因子中的三种，可以将转录组恢复到更年轻的模式。现在通过OSK(M)重编程恢复活力的器官包括肾脏、肝脏、皮肤、心脏、大脑、胰腺和肌肉。科学家也发现了与衰老相关的组蛋白修饰变化的逆转。此外，肌肉内注射携带OSKM的DNA质粒可促进受损肌肉的再生并减少其纤维化，并且不会引起发育不良或肿瘤发生。同样，将OSKM mRNA引入衰老的人成纤维细胞和内皮细胞，加上另外两种干细胞因子LIN28和NANOG，可恢复HP1y和H3K9me3的水平，并逆转了DNA甲基化时钟。

OSK(M)的表达在多物种和具有不同基因表达模式的不同组织中似乎能提高再生能力的原因是什么，这是一个有趣的问题。ITOA认为，表观遗传年轻化是一种自然的、固有的生物过程，它的存在是为了使组织在损伤后恢复和再生。与此相一致的是，OCT4、SOX2、KLF4和Nanog参与真涡虫机体再生，调控26个物种的促长寿基因，并富集于百岁老人的血液单个核细胞。出乎意料地，对老鼠眼睛的研究提示了损伤加速衰老的证据，神经损伤改变了DNA甲基化模式，在某种程度上反映了衰老速度加快。OSK诱导抵消了这种影响，为表观遗传重编程如何在衰老和损伤中强有力地改善组织功能提供了分子层面的解释。重要的是，DNA去甲基化酶TET1和TET2是OSK在损伤后再生神经元和恢复老年小鼠视力所必需的，这表明重写DNA甲基化组对于从损伤和衰老状态恢复表观遗传信息是必要的。因此，通过抑制DNMTs来防止损伤期间的DNA超甲基化可能减轻组织损伤并促进修复。例如，DNMT3a抑制可重新激活RGCs的再生潜能，并可防止噪声性听力损失。揭示自然再生出现的机制，同时测试所涉及的因素，可能会提出新的再生干预措施，并使得安全治疗损伤、疾病和衰老本身的药物取得突破。

下一个前沿:分泌因子和化学年轻化

传统上，包括OCT4、SOX2和KLF4在内的表观遗传重编程因子可通过病毒载体传递到特定组织。然而，整个躯体的广泛年轻化受到病毒趋向性的限制。例如，大多数AAVs将它们的DNA产物送到肝脏，而很少运送到肌肉、大脑和睾丸。因此，分泌因子和化学物质具有固有的优势，因为它们可以通过血液更均匀地到达多个组织。

通过异体共生或年轻血浆输注来降低DNA甲基化的能力表明可能存在能够诱导表观遗传年轻化的分泌因子或外泌体。据报道，一些血液因子可以减缓或逆转组织中衰老的特定方面，如GDF15、eNAMPT、Klotho和凝集素。尽管尚不清楚这些因子是否至少通过表观遗传机制起一定作用，但最近的一项研究报告称，SOX2和MYC或OCT4可以被分泌抗体和膜结合抗体取代，这是细胞外蛋白可用来恢复组织活力的一个例子。

由于小分子具有易于传递、成本低、细胞渗透性好等特点，科学界目前认为使用小分子进行重编程也是一种很有前途的策略。含有靶向表观遗传调节剂成分的化学混合物，如HDAC抑制剂丙戊酸、LSD1抑制剂tranylcypromine和GSK-3β抑制剂CHIR-99021，可以将小鼠和人类成纤维细胞诱导转化为iPSCs。虽然这些化合物在成年细胞中存在一些毒性，但短期暴露于这些化学混合物中似乎可以部分恢复衰老相关的表观遗传变化，而不会失去细胞身份或导致iPSCs中所见的细胞生长失控，并且可以延长秀丽隐杆线虫的寿命。增加iPSC效率的促进剂，包括丁酸钠和α-酮戊二酸钠，在保持细胞身份的同时，显示出附加性年轻化和逆转转录组年龄的作用。有趣的是，α-酮戊二酸是一种TET共底物，可以延长秀丽线虫和小鼠的寿命，并逆转人类血液DNA甲基化时钟，这与TETs在OSK介导的再生过程中的作用相一致。其他年轻化的潜在候选化学物质包括曲古抑菌素A（trichostatin A），伏立诺他（suberoylanilide hydroxamic acid），维生素C（一种组蛋白去甲基化酶KDM6B激活剂)和DNMT抑制剂5-氮杂胞苷（5-azacytidine）和RG108。

表观遗传年轻化的机制

ITOA认为，每个细胞中都存储着年轻信息的备份副本，类似于Shannon的“观察者”。这种原始表观遗传信息的存储可以在衰老或受损的成年人的细胞中被转录翻译，以恢复丢失的表观遗传信息，促进恢复和愈合，并恢复功能。作者和其他人的结果表明，这种备份信息可能确实存在。关于部分表观遗传重编程，最值得注意的事实之一是，它不仅针对正确的位点，而且针对方向和折叠变化，可以安全地将基因表达模式重置到几年前。以年老的RGCs为例，诱导OSK可使90%的衰老改变基因恢复到年轻时的水平。但目前仍有两个关键问题有待回答:如何访问这些备份信息，以及通过何种机制记录和存储这些信息。

如何进入这些备份的线索来自于表观遗传重编程研究。DNA去甲基化是iPSC形成和体细胞克隆的关键过程，由DNA去甲基化酶TET1-TET3和DNA糖基化酶TDG进行。越来越多的证据支持DNA去甲基化在年轻化过程中的重要作用。例如，作者发现OSK介导的有丝分裂后RGCs的年轻化需要TET1、TET2和TDG。同样，在成年海马神经发生生态位中恢复TET2可以抵消与衰老相关的神经发生衰退，并恢复小鼠的认知能力。TDG还通过其在神经元谱系特异性增强子上的功能，帮助细胞身份的重建。此外，DNMTs的DNA甲基化也可以在年轻化中发挥作用。例如，在衰老的胰腺中，部分重编程使得去甲基化的CpGs重新甲基化，在人类成纤维细胞中，胚胎发育基因(IRX5)的启动子区域在衰老过程中去甲基化，并通过部分重编程重新甲基化。

科学家们认为需要主调控因子DNA甲基化-去甲基化机制来引导它们到达基因组上的特定位置。先锋转录因子OSK(M)似乎可能在年轻化过程中激活其他主调控因子，包括胚胎调控因子PRC2，它与已知在年轻化过程中差异甲基化的RNA和DNA序列相关。另一个候选者是TOP2A，它是表观基因组的一个重要调节因子，由Yamanaka因子高度诱导，是TET1上调和肝体内重编程所必需的。

在作者看来，该领域最重要的问题是年轻的表观遗传信息何时何地被记录和存储，以备在某些情况下允许几十年后的重置。尽管生物信息备份或“观察者”的确切物理性质仍然难以捉摸，但假设信息存储机制可能需要被动的观察者来保护必需基因和细胞身份基因的增强子区域，以及主动的观察者来记录年轻的表观遗传状态并标记在衰老过程中经历表观遗传改变的区域。在一个模型中，只有主动的观察者参与恢复机制。由主调控因子和表观遗传修饰因子组成，以重置表观遗传景观和转录机制。年轻信息存储的潜在形式包括DNA-RNA杂交，如R环，DNA修饰，蛋白质-DNA相互作用和组蛋白修饰。尽管这个年轻表观遗传信息库的初始模型将随着新出现的数据而得到改进，但它为阐明年轻化的生物学机制提供了基础。

结论及未来发展方向

ITOA将机体功能的逐渐退化最终导致死亡的过程称之为“衰老”，这个过程主要归因于发育过程中建立的信息逐渐丢失。

ITOA做出了许多预测，对这些预测的测试将有助于支持或反驳这一理论。越来越多的研究表明，发育途径失调和细胞身份丧失是哺乳动物衰老过程中常见的现象。例如，在衰老的人类脑组织中，在发育基因附近存在普遍CpG甲基化的上调和改变。作者建立的诱导表观遗传变化的小鼠模型显示，发育基因是衰老过程中表观遗传变化的热点，包括DSBs引起的表观遗传变化。作者认为这可能是因为当细胞受损时，发育基因作为RCM反应的一部分被激活，作为一种暂时增加细胞修复和存活的方式。随着时间的推移，这种时断时续的循环使它们更容易受到表观遗传变化的影响。最近对这些发现的解释是，衰老是发育的程序化延伸，这一命题与最近的一项分析一致，该分析表明，发育基因是DNA甲基化变化的热点。如果是这样，那么增强DNA DSB修复将不太可能影响表观遗传衰老的速度或寿命。然而，长寿的物种具有更有效的DSB修复，并且DSB修复因子Sirt6的过表达使小鼠活得更长，这表明DSB修复是正常衰老过程的一部分，衰老不仅仅是发育的延伸。ITOA预测，减少改变表观基因组其他类型的细胞损伤也将导致寿命延长。

表观基因组已经证明了其具有逆转一些衰老特征的能力，这些衰老特征包括基因组不稳定和表观遗传改变，线粒体和溶酶体功能障碍，炎症和营养感觉失调。如果有学者证明ITOA是正确的，那么体内表观遗传重编程也可能能够逆转最近提出的衰老特征，如生态失调和巨自噬失能。

ITOA还预测，细胞内有一种结构或分子保留了表观基因组早期状态的记忆。找到这个称之为生物观察者的备份副本，将为这一理论提供相当大的支持，并大大加快控制生物学年龄的方法的发展。找到假定的观察者可以通过基因筛选或研究天生可以逆转衰老特征的动物来实现，比如扁形虫和水母。阐明观察者的本质不仅可以解决生物学中一个长期存在的问题，而且还有助于开发更准确和有效的方法来使表观基因组年轻化和恢复组织的年轻功能。

在单个器官中逆转衰老可以为组织特异性疾病提供益处，但可能不会大幅延长寿命。建立有效的递送方法来引入体内细胞重编程所需的遗传物质，或识别能够实现类似结果而不引起细胞功能障碍、死亡或癌症的化合物或蛋白酶抑制剂，将是至关重要的。

同样重要的是，该领域的研究需要开发出更精确、可重复和被广泛接受的方法来评估衰老和计算生物学年龄。目前，有几种衰老的时钟可用。然而，没有一种方法能提供对整个个体的全面评估，许多方法需要采血或活检，这限制了它们在动物研究和临床试验中的广泛应用。更好的时钟将有助于确定实施重编程干预的最佳时机，并评估其对患者的有效性。虽然时钟的预测年龄提供了一些信息，但最终只有当细胞、组织或个体的功能恢复时，才能确定年轻化的效果。

近年来，人们在控制衰老的能力方面取得了长足的进步，而使组织年轻化的替代方法的发现无疑将加速体内重编程在实验室之外、在人体临床试验上的应用。对异体共生、化学重编程、组织和肢体再生等成熟再生方法进行功能基因组筛选和综合分析等策略，为识别新的重编程技术提供了有希望的途径。再加上利用人工智能在计算机上筛选数万亿种化合物和组合的能力，这些进步有望促进人们对衰老的原因和方式的理解，并应用“年轻化”疗法来治疗损伤、与衰老相关的疾病，并最终实现延缓衰老本身。

框2 年轻表观遗传信息储存库的假设工作模型

受20世纪40年代Shannon “信息交流理论”的启发，假设存在一个生物“观察者”，即在年老的细胞中也储存着年轻的表观遗传信息。一种观察者是被动的，另一种是主动的。被动观察者在早期标记DNA，并在重编程过程中保持不活动，而主动观察者在衰老过程中标记DNA区域改变，并在重编程过程中与主调控因子和表观遗传修饰因子相互作用。

被动观察者在恢复过程中是一种障碍，将特定区域标记为无法进入重编程机制。被动信息存储的可能形式包括DNA修饰和富含CpG二核苷酸的DNA片段。启动子中含有CpG岛的基因通常具有广泛的表达，并且在整个衰老过程中表现出一致的表达水平(非差异表达基因;non-DEGs)。相比之下，CpG岛附近或缺乏CpG岛的发育基因在衰老过程中更容易受到异染色质形成的破坏，导致衰老细胞和组织的整体失调(衰老过程中的差异表达基因(DEGs);箭头宽度表示转录频率)。QSER1与TET1相互作用并阻止二价启动子的从头甲基化，也可以作为被动观察者保护转录和发育网络。作者认为，与细胞身份基因相关的增强子包含被动观察者，并保持低甲基化，从而使衰老细胞有效地恢复其身份。

积极的观察者在生命早期就标记出了基因的年轻状态。它们也可能标记随着时间的推移而改变表达的基因。信息存储的潜在方式包括DNA-RNA杂交，如R环，DNA修饰，蛋白质-DNA相互作用和组蛋白修饰。H3K27me3是PRC2复合体的产物，可能是一个活跃的观察者系统的一部分，在发育基因和甲基化时钟位点的二价启动子上富集，随着时间的推移，这些启动子会变得失调。H3K27me3可能通过将PRC2和TETs募集到特定位点来促进年轻化。在RGCs中，衰老过程中改变的CpG位点和OSK重置的CpG位点具有PRC2结合位点和H3K27me3的富集。此外，PRC2结合区解释了大多数年龄依赖性DNA甲基化增多，使其成为年龄预测因子。作者设想主调控因子OCT4、SOX2以及潜在的PRC2和TOP2A结合到活跃观察者(如H3K27me3、H3K9me或DNA和RNA混合物)标记的区域，招募表观遗传修饰因子(如TETs、TDG、DNMTs和KDM6B)来重置DNA甲基化和组蛋白修饰。

责编：车姗姗

排版：太鑫、嘉明

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