“智识前沿学者”
深圳湾实验室分子生理所资深研究员
撰文 | 王立铭
导读
2023年1月有条注定将要载入史册的大新闻：中国自1960年代以来首次出现人口负增长。截至2022年末，我国31个省、自治区、直辖市和现役军人的人口总数为14亿1175万人，比上年末减少85万人。伴随着人口负增长同步到来的，是中国人口老龄化程度的持续加深，多项数据表明中国将在未来两三年内进入深度老龄化区间。
在人均寿命不断延长、百岁人生可以期待的现代社会，实现健康地老去，避免老年人群体常常出现的全身机能衰退和各种慢性疾病，是许多人的梦想。但至今为止，尽管解释衰老的理论层出不穷，可能多达数十上百种，但并没有任何一种理论指示出了对抗衰老的明确思路和方法，这本身也说明了衰老问题的复杂。本期巡山报告试图展示近年来对衰老进行系统性解释和对抗的一种思路：衰老也许是生物个体表观遗传修饰逐渐走向混乱和崩溃的过程，而人工诱导干细胞技术也许可以通过擦除衰老细胞的表观遗传学印迹，实现对细胞和生物个体衰老的逆转。
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衰老的本质
衰老和死亡是几乎所有多细胞生物个体必然的命运，人类当然也不例外。从进化生物学的角度看，衰老本身并不是生物学机制精密调控下循序发展的结果（单一因素，有目的的），相反，它更可能是在生物生育阶段结束后，各种生物学机制逐渐失效和失调的过程（多种因素，无目的的）。如果要打个比方的话，衰老更像是一件精美的玻璃器皿逐渐磨损、裂缝、破碎的过程，而不是一辆赛车咆哮着冲向悬崖的过程。
这是因为自然选择只能作用于生物个体完成繁殖之前。一个基因变异的作用如果只体现在繁殖完成之后，不管它能在多大程度上破坏生物体内各种精确的生物学调节机制，损害生物的生存质量，都无法被自然选择所淘汰。因此，在长期繁衍之后，生物个体的基因组中会积累大量此类在繁殖年龄之后逐渐显现的有害变异，客观上表现出各种生理功能逐渐衰退，最终走向死亡。（注意，这里说的基因变异并不是在衰老过程中逐渐出现的，它们始终存在，只是在衰老过程中逐渐体现其功能和影响。）
请注意，上述讨论不仅仅在基础理论层面说明了衰老的本质，实际上还对人类抵抗甚至逆转衰老提供了重要的思想工具。基于上述认知，既然衰老不是生物体精密调控的结果，那就不太可能找到一个神奇的衰老“开关”，通过扳动它，延缓、停滞甚至逆转人体的全方位衰老。相反，研究者们需要仔细探寻在衰老过程中逐渐失调和失效的那些生物学过程，然后设计方法重新激活和理顺这些生物学过程，从而起到延缓甚至逆转衰老的作用[1]。
但必须得说，上述模式虽然在逻辑上能自圆其说，但现实中应用却还存在不少困难。特别是如果人们试图从单个维度理解衰老过程并借此对抗衰老的话，失败几乎是可以预见的。两个著名的例子是端粒（telomere）缩短和活性氧自由基（ROS, reactive oxygen species）增多。
端粒是染色体DNA末端的重复序列，起到了保护染色体DNA完整性的作用，但会伴随着细胞的不断分裂复制而持续丢失和缩短，从而影响染色体的稳定性。活性氧自由基则指的是一系列化学物质，包括氧离子、过氧化氢等，它们的化学结构中含有未配对的活跃电子，极易和周围物质发生氧化反应。在衰老的细胞内，线粒体功能的失调会产生大量活性氧自由基，破坏细胞内很多物质的结构和功能。在不同物种的衰老中，确实都能观察到端粒的缩短和活性氧自由基的升高。
那么按照刚刚讨论的逻辑，如果能找到办法防止端粒的缩短，或者降低活性氧自由基的水平，则应该能够延缓甚至逆转衰老。但在现实中，研究者们却无法观察到显著且一致的抗衰老效果。例如，虽然在小鼠中激活能够延长端粒的端粒酶确实能够延缓衰老[2]，但在人类中端粒较长的反而可能有更高的癌症发生率[3]。而且如果我们做一个跨越物种的比较更会看到，端粒长的动物可能反而寿命短，端粒短的动物可能反而寿命长，小鼠和人类就是如此。
还有，过量表达能够消除活性氧自由基的蛋白SOD1，无法延缓小鼠的衰老[4]，在线虫中甚至发现了相反的结果：删除了能够消除活性氧自由基的SOD基因，居然反而还能延长寿命[5]。
至于这些失败背后的原因，我的推测是，仍然和衰老的复杂性有关。既然衰老过程伴随着许多生物学过程的逐渐失效和失调，那么就很难说通过单一改变其中一个过程就能在个体水平观测到立竿见影的抗衰老效果，甚至可能还会看到过犹不及的反作用。例如活性氧自由基，它除了和衰老过程相关，更是细胞内重要的生物信号分子，简单粗暴地操纵一下，有害无益也是可以理解的。
表观遗传学生物钟
既然单点突破的思路可能有局限，那么相应的，人们也可以通过一个更系统的思路来理解衰老，那就是细胞遗传物质的持续变化，特别是表观遗传学变化。
我们知道遗传信息的载体是DNA，DNA序列的变化我们一般归入遗传学的研究范畴（genetics）。而所谓“表观遗传学”（epigenetics），指的是在不改变遗传物质DNA本身序列的条件下，对基因表达水平、细胞内生物学过程、乃至整个生物体特征的改变。比如，一个受精卵在持续分裂中产生形成人体的数十万亿个细胞，这些细胞的遗传物质DNA都来自同一个受精卵，差别极其微小，但这些细胞本身却承载了许多差异巨大的生物学功能。一对基因组DNA完全相同的同卵双胞胎，刚出生的时候从相貌到行为几乎没有差别，但伴随着成长发育和人生起伏，两者的差异会越来越明显。再比如，同样一个人类个体，在幼年和老年时期，基因组DNA序列也没有发生什么变化，但生理机能却又存在天壤之别。上述这些差异只能来自DNA序列之外，也就是表观遗传学的范畴。
更具体来说，表观遗传的物质基础有很多类型，例如基因组DNA的化学修饰（特别是DNA碱基的甲基化），能够在不改变DNA本身序列的条件下改变基因表达的强度；负责染色体组装的组蛋白化学修饰也有类似的功效，例如H3K27（H3组蛋白序列第27位的赖氨酸）位置的甲基化和基因表达的激活有关，而三甲基化则有相反的功能。除了上述两者外，表观遗传还有非常广泛的内涵，例如RNA分子的化学修饰、非编码RNA、蛋白质翻译后修饰，细胞器的数量和形态，都是表观遗传可以发挥作用的舞台。很多人相信，衰老过程本身并不会改变细胞和生物个体的基因组DNA序列，但却可以通过改变其表观遗传特征，破坏许多基因的正常表达和蛋白质分子的正常功能，从而引起许多生物学过程的混乱。
早在2011年，研究者们就已经进行了这样的尝试：观察人类的衰老是否和人体表观遗传水平的变化有直接关系。他们发现基因组DNA上数十个位置的甲基化和年龄相关，而其中区区三个位点的甲基化修饰水平就可以很好地预测人类个体的年龄[6] 。研究者们随后又发现，如果在全基因组尺度上研究DNA甲基化和年龄的关系，还能进一步提高前者对后者的预测准确度[7]。研究者们因此提出了所谓“表观遗传时钟(epigenetic clock)”的概念。他们认为，人类基因组DNA甲基化水平的持续变化，正反映了衰老的持续发生，这不仅仅体现在生理年龄的增加，还体现在健康状况的持续衰退，多种慢性疾病的逐渐发生，以及死亡率的持续提高[8][9]。2019年，研究者们甚至利用表观遗传时钟，在9位健康人受试者中做了一个小规模临床研究，引起了全球主要媒体的关注。这9位受试者接受了生长激素的注射，用于唤醒他们衰老的免疫系统。在1年后，研究者们检测了这9位受试者的表观遗传时钟，发现他们平均而言比同龄人“年轻”了2岁半[10]。
而更重要的问题是，衰老过程中，表观遗传学时钟是如何计时的？如果我们假设表观遗传学修饰的逐渐失控是衰老的幕后驱动者，那么到底又是什么因素引起了前者的失控？
2023年1月，哈佛大学医学院David Sinclair实验室的一项研究为这个问题提供了一个重要的解释视角。他们认为，是DNA分子的随机断裂破坏了表观遗传修饰的稳定性，从而导致了生物的衰老[11]。
更具体地说，研究者们利用转基因技术在小鼠体内表达一个来自多头绒泡菌的核酸内切酶，它可以在小鼠基因组的20个特定位置上切割双链DNA，制造一个DNA断口（DSB，double strand break）。这种特殊的断口能够被及时修复，基本不会引起DNA序列本身的变化，但却能够显著改变小鼠的表观遗传学特征（例如组蛋白的化学修饰，染色体的空间结构等），拨快了小鼠的表观遗传学时钟，也大大加快了小鼠各种生理指标的衰老过程，例如体重下降，毛发变灰白，代谢率降低，驼背、骨密度降低，肌肉量和收缩能力下降，运动技能下降，认知功能受损等。
这项研究首次说明了扰乱生物的表观遗传学修饰本身就足以引发快速的衰老。值得注意的是，尽管这项研究中的DNA断点是人为诱导而来，但生物生活环境中有很多因素足以持续地引发类似的DNA断点，例如射线辐射和包括活性氧自由基在内的化学物质。
这样一来，我们也许可以用这样一种全新的视角来理解衰老的发生：在生物体成长发育、繁衍生息的过程中，细胞中的DNA持续遭受内外危险因素的侵犯，随机出现各种DNA断点。这些断点大部分都能够被快速和准确地修补，并不影响DNA序列的准确性。但不幸的是，在断点产生和修复的过程中，生物体的表观遗传修饰会出现混乱，而这些混乱的积累将把生物体带入不可逆转的衰老和死亡过程中。
如何逆转衰老时钟？
那有没有什么办法能够整体逆转生物体的表观遗传学时钟，实现对衰老的阻击甚至是逆转呢？
有一个看起来很有希望的思路，那就是干细胞技术，特别是人工诱导干细胞技术。它提供了一种将衰老的细胞重新拉回年轻态，重置衰老时钟的可能性。
干细胞这个名词当然早已是万众瞩目。但究其本质，干细胞表示的是细胞的分化潜能：一枚细胞到底能够产生多少种功能各异的后代。人类这样的多细胞生物，从小到大发育成熟的过程是靠一枚受精卵细胞持续不断的分裂实现的。在这个细胞一变二，二变四，四变八，最后形成几十万亿个细胞的过程中，伴随着“潜能换功能”的变化。受精卵是所谓的全能干细胞，它能够分裂产生人体所有类型的细胞。但在它持续分裂的过程里，它的后代会逐步失去受精卵细胞所具备的无所不能的分化潜能，逐渐只能执行单一的生物学功能，比如成为皮肤的一部分，成为大脑神经系统的一部分，等等。这个过程有点像巨石从山头滚下的过程，在山顶的时候巨石拥有无限种滚落的路径选择，但在滚下的过程中，它的速度越来越快，但仍然可供选择的路径会越来越少，直到跌落地面，在地面忠实地执行他被赋予的生物学使命。
长久以来人们默认这个石头滚落的过程是绝对的单行道、完全不可逆。直到2006年，日本科学家山中伸弥在《细胞》杂志发表论文[12]，证明在已经完成分化、也就是已经从山顶跌落地面的细胞中，人为表达四个基因，分别是Oct4, Sox2，Klf4和c-Myc，简称OSKM，或者干脆叫“山中因子”。这些细胞能被重新推上山顶，变成具备各种分化潜能的干细胞状态。这项研究理所当然快速引爆了整个生命科学领域，也很快有人开始在临床试验中尝试用这样的方法治疗疾病。这个道理很简单，原本可能需要做异体器官移植的患者，借用这项技术，可以用自己的身体细胞，加上山中因子重新诱导回干细胞状态，再定向分化成需要的器官，进行移植就可以了。
举一个具体的例子：美国国家健康研究院在2019年启动了一项200人规模的临床试验，试图用这个办法治疗老年黄斑变性。他们把患者的身体细胞取出，重新推上山顶，变回具备分化潜能的干细胞，然后再定向分化成为视网膜细胞，注射到患者眼球中，替代那些过早死亡的视网膜细胞，挽救患者的视力[13]。目前在全世界范围内，有近百项利用人工诱导干细胞的临床试验正在进行中，靶向包括大脑、血液、呼吸、内分泌等多种人体系统[14]。
说到这里，我们讲的还是利用人工诱导干细胞实现替换性的治疗思路。换句话说，人体当中有哪些组织和器官出现了问题，用山中因子重新诱导一批新的功能正常的细胞去替代它。但很显然，这个思路是没法用来治疗生物个体系统性的衰老的，毕竟我们无法给衰老的人体做一个全盘替代。
那如果直接把山中因子放到衰老动物的全身细胞里去，会有什么效果呢？
还真有人试过这个方法，结果很危险：如此操作后小鼠全身多个器官会长肿瘤[15][16]。其中原因也不难理解，山中因子的作用是把已经完成分化的细胞重新推上山顶，重新具备分化潜能。如此一来，这些被重新赋予分化潜能的细胞就有可能随心所欲地进行不受控制的分裂和分化，而这本就是癌细胞的典型特征。
那这条抗衰老的路子就被彻底堵死了么？也不是。研究者们又尝试了一个新的思路：既然持续供应山中因子会引发癌症，那能不能只是短暂的给身体细胞提供一点山中因子的刺激，部分的逆转这些细胞的命运呢？2016年，美国索尔克研究所的Juan Carlos Izpisua Belmonte实验室尝试了这个思路，取得了巨大的成功[17]。他们发现，短暂地启动四个山中因子几天到十几天时间，不会导致肿瘤发生，反而会逆转小鼠身体细胞和多个器官的衰老，大大延长早衰症小鼠的寿命（从大约18周延长到了24周）。
当然这项很漂亮的研究有一个硬伤，他是在早衰症小鼠上做的验证，正常小鼠有差不多2年的寿命，而早衰症小鼠携带一个罕见的遗传变异，未老先衰，普遍只能活三四个月。显然，能让早衰症老鼠多活几周，和能让正常衰老的动物也重返青春，可能是性质完全不同的两件事情。
在2022年3月7日，同一个实验室的科学家们在《自然 衰老》杂志上发表了一篇新的论文，对这个遗留问题有了进一步的解答[18]。这一次他们改在正常小鼠体内定期表达四个山中因子。估计是受实验条件的影响，他们并没有观察这些小鼠的寿命是否得到了显著延长——可能是因为要完成观察小鼠寿命至少需要等两三年时间。但他们用了一系列别的方法来间接确认小鼠的衰老是否得到了逆转，比如身体细胞的基因表达和染色体DNA的状态被显著改善，小鼠伤口愈合的能力得到了增强，小鼠的整体代谢状况也有改善，这些都是正常衰老中常见的问题。
除此之外，这项研究还有一个比较重要的发现。限于早衰症老鼠的寿命，他们之前只测试了几天到十几天山中因子刺激的效果，这次在正常老鼠中，他们测试了长达7-10个月的山中因子刺激，发现在逆转衰老的同时，没有带来任何肿瘤风险。这当然大大增强了人们对这项技术安全性的信心。毕竟在人体进行四个基因的遗传操作还是相当冒险的举动，时间窗口也很难把握得特别精准，要是几个月的操作都安全，我们就更可以放心在人体中测试几天这种时间尺度的抗衰老操作了。
在2023年David Sinclair实验室的研究中，它们也同样测试了山中因子（准确的说是山中四因子当中的三个：OSK）的抗衰老效果。他们发现，在小鼠中先产生DNA断点和加速衰老，再人工诱导OSK三因子的表达，确实能够回拨表观遗传学时钟，逆转小鼠的衰老过程。
为什么在动物体内表达山中因子，人工诱导干细胞状态，能够逆转衰老呢？
这里面的原因大概还要从表观遗传学时钟的角度去理解。我们已经知道，细胞分裂的过程中，DNA序列本身并没有发生变化，是一系列表观遗传的变化为细胞赋予了不同的分化路线和具体功能。山中因子既然能够将已经分化完成的细胞重新编程成为具备分化潜能的干细胞，当然需要”擦除“分化过程中形成的一系列表观遗传变化，诸如DNA的甲基化修饰，组蛋白化学修饰等等，这一点业已得到了充分的证明[19]。而既然衰老过程也和表观遗传修饰的混乱直接相关，山中因子也当然能擦除这些混乱信息，将衰老细胞的表观遗传时钟拨回到年轻状态了。
这样一来，我们就得到了一种全新的理解和对抗衰老的思路：
1.衰老的本质，可能是在生物体生命周期中，表观遗传修饰逐步走向混乱的过程；
2.这种表观遗传修饰的混乱，可能的来源是频繁的DNA断裂和修复过程；
3.人工诱导干细胞技术（例如OSKM山中四因子），可以擦除细胞分化和衰老过程中出现的表观遗传修饰印记；
4.这种表观遗传印记的擦除，能够产生回拨表观遗传时钟、逆转衰老的作用。
当然，基于衰老过程的复杂性，我们大概很难指望一种方法就可以一劳永逸、放之四海而皆准地实现对衰老的逆转。上述这种基于表观遗传学变化和干细胞技术的抗衰老思路，目前也仍然还停留在细胞和小鼠模型当中，尚未在更大型的动物中得到检验，遑论人类了。而且我们更要注意，还是基于衰老过程的复杂性，表观遗传学变化是不是就能完全解释衰老，以及干细胞技术是否就仅仅是通过改变表观遗传学时钟来实现抗衰老，可能都还不能给出一个非黑即白的回答。
但同样值得注意的是，这条逆转衰老的技术路线除了能整体性的逆转衰老，还能选择性的在重点器官里使用。在2020年，David Sinclair实验室的另一项研究还证明，只在小鼠的视网膜里表达山中三因子OSK，能够显著的逆转视网膜细胞的衰老，提升视网膜的再生和修复能力[20]。一个可能相对客观的期待是，人工诱导干细胞技术也许有望在不远的将来用于治疗特定器官的早衰型病变，在确认其安全和有效之后，我们可能才可以进一步畅想它出现在逆转人体衰老的更大战场。
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