人类衰老的遗传和表观遗传信息解码

张维绮 刘光慧*
(中国科学院生物物理研究所, 生物大分子国家重点实验室, 北京 100101)
 
 

刘光慧, 中国科学院生物物理研究所研究员。2002年本科毕业于北京大 学医学部; 2007年毕业于中国科学院生物物理研究所, 获得理学博士学位; 2007~2011年分别在美国斯科利普斯(Scripps)研究所和索尔克(Salk)生物学研 究所从事博士后研究; 2011年回国, 在中国科学院生物物理研究所任研究员。 2012年入选中国国家青年千人计划并于同年获得国家自然科学基金委优秀青 年基金; 2013年获贝时璋青年生物物理学家奖。主要研究领域是基于多能干 细胞的人类疾病模型和精准治疗体系以及人类健康衰老(healthy aging)的分子 遗传学基础。迄今已在Nature、Science、Cell、Cell Stem Cell、Cell Metab等 刊物发表论文(包括研究论文或综述)65篇, 其中, 通讯(包括并列通讯)作者文 章45篇, 研究工作多次受到Nature、Science、Cell、F1000等权威杂志的积极 评价。申请发明专利(第一发明人)6项, 现已授权2项。多次应邀在国际学术会 议上做大会报告。

 
 

1 研究人类衰老的新思路
最近, 衰老的九大分子特征被归纳为: 基因组 的不稳定性、端粒的损耗、表观遗传学的改变、蛋 白质稳态的失衡、营养感受失调、线粒体异常、细 胞衰老、干细胞耗竭和细胞间通讯改变[1]。这些因 素相互交织影响着衰老进程。人类的衰老漫长而复 杂, 目前尚无有效的研究手段。另一方面, 由于种 属差异, 实验室中基于模式生物的研究尚不能直接 用于临床转化。刘光慧课题组率先提出利用多能 干细胞技术研究和治疗人类衰老相关疾病的新思 路。实验室相继建立儿童早衰症(Hutchinson-Gilford progeria syndrome, HGPS)、帕金森病(Parkinson’s disease, PD)、镰刀形细胞贫血症、范可尼贫血 症(Fanconi Anemia, FA)和成年早衰症(Werner syndrome, WS)等一系列人类干细胞疾病模型; 在基 因组靶向矫正方面, 率先突破了人类致病基因靶向 矫正的技术瓶颈, 迄今已在不同种疾病干细胞中修 复6种致病基因突变, 并首次证明了HDAdV(helperdependent adenovirus vector) 和TALEN(transcription activator-like effector nucleases)基因靶向矫正工具 的安全性, 同时发展出高效安全的基因矫正载体 telHDAdV。

2 基于多能干细胞技术的人类衰老相关 疾病模型和药物筛选系统

2.1 利用诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)技术揭示儿童早衰症患者发生 血管病变的分子机理
儿童早衰症是一种非常罕见的人类早老性 疾病, 由Lamin A基因在G608位点发生单点突变所 致。该突变导致其剪切突变体progerin在细胞核内 发生异常聚集, 引起衰老相关的细胞改变。该疾病 表现出许多正常衰老所伴随的组织和细胞学特征。 HGPS病人几乎毫无例外地于十余岁死于血管动脉 粥样硬化, 这种动脉粥样硬化的病理特征同生理性 衰老相关的动脉粥样硬化非常类似[2]。针对HGPS 发病机制的深入研究无疑会对人类衰老所伴随的血 管病变的研究提供重要的线索。然而, 生物学家们 无法利用如此罕见的人体样品(如血管细胞)进行人 类衰老机制的研究。
2011年, 刘光慧等[3]成功将HGPS病人的皮肤成 纤维细胞重编程为诱导多能干细胞(HGPS-iPSCs)。
令人兴奋的是, 重编程有效地将细胞衰老的时钟拨 回至发育的原点, 重设了HGPS体细胞中缺陷的核膜 结构、表观遗传参数和基因表达谱。HGPS-iPSCs 在形态和功能上与野生型iPSC并无显著差别, 其主 要原因是在HGPS-iPSCs中Lamin A基因发生转录 沉默。将HGPS-iPSCs定向诱导分化为血管平滑肌 细胞(简称为HGPS-VSMC)后, Lamin A得到重新激 活, 继而重新产生其突变产物progerin。更为重要的 是, HGPS-VSMC随着体外培养出现加速老化的特 征, 因此揭示了HGPS病人过早发生动脉粥样硬化 的细胞学基础, 即血管平滑肌细胞加速老化。此外, 利用MudPIT(multidimensional protein identification technology)蛋白组学技术鉴定出DNA修复相关蛋 白激酶DNAPKcs是progerin的新型结合蛋白, 并发 现DNAPKcs的表达同progerin的含量呈负相关。与 HGPS-VSMC类似, 在野生型VSMC中敲低DNAPKcs 也能诱导细胞发生早衰性状, 同时DNAPKcs在正常 衰老组织中其表达量也出现下调[3]。这些研究不仅 明确了血管衰老是动脉粥样硬化的重要诱因, 更重 要的是, 为血管衰老和动脉粥样硬化的防治提供了 重要的药物筛选和评价体系。

2.2 利用多能干细胞技术揭示帕金森病(PD)患者 的神经干细胞病理并探索其新型干预方式
PD是一类与衰老密切相关的人类神经系统退 行性疾病。即使对于家族遗传性PD而言, 其发病也 是进入中老年之后才出现。该疾病不仅表现为运动 神经系统的受损, 还表现出抑郁、嗅觉丧失、认知 功能下降等非运动神经系统表型。由于小鼠和人在 衰老和神经生物学方面具有较大的差异, 因此, 目前 的小鼠模型尚不能很好地重现人类PD的疾病表型。 建立PD的人类疾病模型、探索衰老因素在疾病发 生发展中的作用、寻找干预PD的分子靶标将极大 地促进帕金森病的早期诊断、预防与治疗。
刘光慧团队[4]2012年的研究发现, 携带LRRK2 (G2019S)基因突变的PD患者iPSC或胚胎干细胞 (embryonic stem cell, ESC)所衍生的神经干细胞在 体外培养过程中会出现B型Lamin蛋白在核膜局部 缺失以及细胞干性渐进性消失的现象。MudPIT蛋 白质组学分析发现, 突变的LRRK2能同B型Lamin相 互作用, 并使得后者的磷酸化增强。Lamin B2在野 生型神经干细胞中的敲减可以重现PD神经干细胞 的表型。从PD病脑的组织学分析也可以发现海马神经干细胞富集区的异常细胞核膜表型。此工作为 PD患者认知功能衰退等非运动神经系统临床表征 提供了有效的解释。更为重要的是, 此工作首次利 用iPSC疾病模型揭示了LRRK2小分子抑制剂(IN-1) 对PD特定表型的“治疗”作用, 并提示通过靶向修复 PD患者神经前体细胞致病突变从而实现细胞移植 治疗的可能性。

2.3 阐明范可尼贫血症的新型干细胞病理
范可尼贫血症属于先天再生障碍性贫血, 是一 种严重的常染色体隐性遗传疾病, 由一系列DNA修 复蛋白的编码基因突变所致, 其临床表现为骨髓造 血功能衰竭、多发性先天畸形以及肿瘤易感性增 加。该疾病虽不表现出系统性机体衰老的特征, 但 基因组稳定性的降低可能是造成骨髓造血细胞过早 衰竭的原因。刘光慧团队[5]最早利用非基因组整合 技术实现了FA成纤维细胞的表观遗传重编程, 获得 了FA-iPSC。同时, 还突破了DNA同源重组效率低 下的技术障碍, 在FA-iPSC中成功实现了对致病基因 FANCA的靶向矫正。研究还揭示了FA患者发生严 重再生障碍性贫血的根源, 即不仅归因于造血干细 胞的过早衰竭, 还与骨髓造血微环境间充质干细胞 的加速衰老密切相关。此研究不仅在人类组织干细 胞水平揭示了FA的新型病因学基础, 而且为FA的干预和治疗提供了全新的研究平台和解决方案。实验 结果显示, 靶向矫正FANCA基因突变可以从根本上 逆转FA的病理表型。这样, 经遗传修复的造血干细 胞可能在将来被应用于自体移植, 以治疗FA患者的 骨髓衰竭和再障性贫血。更为重要的是, 此研究利 用人类疾病模型成功地筛选到可抑制FA干细胞加 速衰老或衰竭的新型小分子化合物。药理学实验显 示, 这些化合物具有抑制FA细胞表达炎性因子和促 凋亡因子的活性。

3 发现表观遗传改变是人类细胞衰老的
关键驱动力 成年早衰症是一种罕见的常染色体隐性遗传 病, 由WRN基因突变引起。WS患者自青春期开始便 提前启动衰老程序, 迅速呈现出许多衰老表型并伴 随有大多数老年性疾病(如骨质疏松和动脉粥样硬 化等)。因此, 针对成年早衰症机理的研究对于探索 人类自然衰老的机理及实现衰老相关疾病的干预有 着不寻常的指导意义。

刘光慧团队[6]首先提出“组织干细胞的加速衰 老可能是WS病因”这一科学假设, 并通过基因组靶 向编辑技术使得人类间充质干细胞(mesenchymal stem cell, MSC)中的WRN基因发生缺失突变, 在实验室创建了人类早衰症特异的MSC。通过对一系 列衰老相关参数的分析发现, 早衰症MSC不仅表现 出生长速度迟缓、DNA损伤反应加剧和分泌大量 炎性因子等细胞衰老的特征, 而且表现出内层核膜 蛋白以及核周异染色质的加速缺失。通过对组蛋 白修饰、DNA甲基化和基因表达谱进行全基因组 扫描, 发现早衰症干细胞的异染色质发生了显著的 结构退行(disorganization), 主要表现为端粒和着丝 粒附近H3K9me3“山脉(mountains)”的缺失。进一步 研究发现, WRN蛋白同内层核膜蛋白LAP2β、异染 色质蛋白SUV39H1和HP1α共存于一个蛋白复合物 中, 该复合物对于维持MSC核膜和异染色质的稳定 性以及阻止细胞衰老具有重要的作用。WRN的缺 失导致SUV39H1和HP1α水平的降低, 进而诱发MSC 的衰老。通过比较健康老年人和年轻人体内分离的 MSC, 也可见WRN水平的下调以及核膜和异染色质 结构的异常, 提示异染色质的退行也可能是正常干 细胞衰老的驱动力。最后, 研究发现, 过表达异染色 质蛋白HP1α能有效地抑制早衰症细胞的加速衰老, 因此, 为未来干预人类干细胞的衰老提供了可能的 分子靶标(图1)。

4 未来研究方向
机体、组织及细胞衰老是一个复杂的过程。对 人类细胞衰老表观遗传基础的发现暗示了衰老过程 具有可调控性。如何减缓机体及器官衰老进程, 并 在早期预防和治疗衰老相关疾病是目前和未来生物 医学研究领域中的热点之一。最近的研究发现, 将 年轻小鼠和年老小鼠的循环系统连接起来, 年老小 鼠骨骼肌和肝脏前体细胞得到明显改善, 大脑中的 海马体的新生细胞也显著增加[7]。此外, 将年轻小鼠 的血清注射给老年小鼠, 老年小鼠的大脑海马神经细胞就会发生同样的变化, 衰老小鼠心肌肥厚的症 状也有所缓解。虽然何种因子起关键作用还存在较 大的争议[8], 但是这些现象提示, 在年轻个体的血液 中存在着促进细胞新生的活性因子, 为后续延缓衰 老的研究提供了可能性。刘光慧团队综合利用干细 胞、模式生物、基因编辑、基因组范围筛选和多层 次组学(如基因组学、表观遗传学、蛋白质组学和 代谢组学)揭示衰老发生发展的关键信号调控网络, 发现和鉴定未知的延缓衰老进程的分子靶标, 致力 于推动衰老的基础和转化医学研究领域的发展。


图1 WRN缺失导致细胞异染色体的异常(修改自参考文献[6])
Fig.1 Deficiencies of WRN leads to loss of heterochromatin in human mesenchymal stem cell (modified from reference [6])

参考文献 (References)
1 Lopez-Otin C, Blasco MA, Partridge L, Serrano M, Kroemer G. The hallmarks of aging. Cell 2013; 153(6): 1194-217.

2 Kudlow BA, Kennedy BK, Monnat RJ Jr. Werner and Hutchinson-Gilford progeria syndromes: Mechanistic basis of human progeroid diseases. Nat Rev Mol Cell Biol 2007; 8(5): 394-404.

3 Liu GH, Barkho BZ, Ruiz S, Diep D, Qu J, Yang SL, et al. Recapitulation of premature ageing with iPSCs from Hutchinson- Gilford progeria syndrome. Nature 2011; 472(7342): 221-5.

4 Liu GH, Qu J, Suzuki K, Nivet E, Li M, Montserrat N, et al. Progressive degeneration of human neural stem cells caused by pathogenic LRRK2. Nature 2012; 491(7425): 603-7.

5 Liu GH, Suzuki K, Li M, Qu J, Montserrat N, Tarantino C, et al. Modelling Fanconi anemia pathogenesis and therapeutics using integration-free patient-derived iPSCs. Nat Commun 2014; 5: 4330.

6 Zhang W, Li J, Suzuki K, Qu J, Wang P, Zhou J, et al. Aging stem cells. A Werner syndrome stem cell model unveils heterochromatin alterations as a driver of human aging. Science 2015; 348(6239): 1160-3.

7 Katsimpardi L, Litterman NK, Schein PA, Miller CM, Loffredo FS, Wojtkiewicz GR, et al. Vascular and neurogenic rejuvenation of the aging mouse brain by young systemic factors. Science 2014; 344(6184): 630-4.

8 Brun CE, Rudnicki MA. GDF11 and the mythical fountain of youth. Cell Metab 2015; 22(1): 54-6.

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