修复衰老大脑时代来临?自然最新封面:重编程视神经恢复视力

澎湃新闻记者 贺梨萍

2020-12-05 06:58 来源:澎湃新闻

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衰老对我们身体的所有细胞和器官都有负面影响,大脑也不例外。科学家们早就知道,神经元和其他细胞的再生能力会随着时间的推移而减弱,但导致这种退化的分子变化却一直是个谜。
当地时间12月3日,国际顶级学术期刊《自然》(Nature)以封面报道的形式发表了一项研究,研究团队利用基因治疗诱导小鼠眼睛的神经元重编程到一个更年轻的状态,让它们重新获得视力再生和恢复的能力。研究还进一步揭示了衰老机制,为青光眼等年龄相关的神经元疾病的治疗指出了新的潜在靶点。
该研究题为“Reprogramming to recover youthful epigenetic information and restore vision”,由来自美国哈佛医学院、耶鲁大学医学院、马萨诸塞州综合医院、加利福尼亚大学洛杉矶分校、澳大利亚新南威尔士大学等研究团队联合完成,通讯作者为澳大利亚籍遗传学家、哈佛医学院遗传系终身教授兼Paul F. Glenn衰老生物学中心联合主任David A. Sinclair。该论文的第一作者为Sinclair实验室的前博士生、哈佛医学院遗传学研究员吕垣澄(Yuancheng Lu),Sinclair和哈佛医学院眼科学系、附属波士顿儿童医院终身教授何志刚,哈佛医学院眼科学系、附属麻省眼耳医院副教授Bruce R. Ksander和助理教授Meredith S. Gregory-Ksander共同指导了这项研究。
哈佛大学官网针对上述研究发布的一篇新闻稿在评价时提到两次“第一”:这项研究第一次证明,有可能安全地对眼部神经细胞等复杂组织重新编程,使其回到早期年轻状态;第一次成功尝试逆转青光眼引起的视力下降,而不仅仅是阻止它的发展。
“我们的研究表明,可以安全地逆转视网膜等复杂组织的年龄,并恢复其年轻的生物学功能。”Sinclair表示。他领导的团队同时提醒说,在进行任何人体实验之前,这些发现还需要在进一步的研究中得到复制,包括在不同的动物模型中。
尽管如此,他们补充说,研究结果提供了一个概念证明,并为设计一系列与年龄有关的人类疾病的治疗方法提供了途径。Sinclair说,“如果通过进一步的研究得到证实,这些发现可能会对青光眼等与年龄有关的视力疾病的治疗,以及对疾病的生物学和医学治疗领域产生变革。”
《自然》还同期刊发了一篇“新闻与观点”文章,斯坦福大学医学院的Andrew D. Huberman探讨了研究结果是否能推及到人类的问题。他指出,虽然文中描述的转录因子的作用仍需在人类中进一步验证,但研究结果提示,它们或能重编程不同物种的大脑神经元。
“这一发现一定会引起科学家极大的兴奋,不仅在视力恢复领域,而且在大脑神经元和其他细胞类型等研究领域。”Huberman写道,“几十年来,人们一直在争论,理解正常的神经发育过程将在某一天带来修复衰老或受损大脑的工具。吕垣澄及其同事们的研究表明:那个时代已经到来。”我们为什么变老?
视网膜神经节细胞(RGCs)虽然存在颅骨外的眼睛内,但它们是真正的一种大脑神经元,它们能将伸长的部分(称为轴突)从眼睛连接到大脑。一般来说,这些轴突如果在发育早期受损,是可以存活下来并再生的,但在发育成熟后就不能了。
有证明表示,这种变化是RGCs本身固有的,而不是因为周围细胞发生变化导致。
研究团队的工作首先需要理解“我们为什么变老”这一复杂问题。人体内的大多数细胞含有相同的DNA分子,但最后呈现的功能显然大相径庭。为了达到这种程度的特化,这些细胞必须只读取特定于它们类型的基因。这种调控功能也就属于表观基因组的范畴,表观基因组被认为是一种以特定模式开启和关闭基因而不改变基因潜在DNA序列的系统。
这一理论假设:随着时间的推移,表观基因组的改变会导致细胞读取错误的基因并产生功能障碍,从而导致衰老性疾病。表观基因组最重要的变化之一是DNA甲基化,在DNA甲基化转移酶(DNMT)的作用下,以S-腺苷甲硫氨酸(SAM)为甲基供体,将甲基转移到DNA分子中特定碱基上的过程。这一过程被形象地称为给DNA“戴帽子”,在不改变DNA分子一级结构的情况下调节基因组的功能,在生命活动中起着重要作用。
然而,DNA甲基化是否会导致细胞内与年龄相关的变化仍不清楚。在这项研究中,研究人员假设,如果DNA甲基化确实控制了衰老,那么消除它的一些痕迹可能会逆转活的有机体内细胞的年龄,使它们恢复到更早、更年轻的状态。
过去的研究已经在实验室培养皿中培养的细胞中完成了这一假设,但还没有证明在活的生物体中获得相同效果。而Sinclair等人的这一新的发现表明,这种方法也可以用在动物身上。
诺奖工作基础上改良:逆转细胞老化同时不会致癌
在研究团队开展工作之前,首先要提到一项诺奖级研究。2006年,日本科学家山中伸弥(Shinya Yamanaka)团队发现,通过Oct4, Sox2, Klf4 和 c-Myc 四个转录因子(统称为“山中因子”),可以诱导成年细胞在体外重编程,转化为诱导性多能干细胞,即是iPS干细胞。山中伸弥也凭借干细胞领域的研究获得了2012年诺贝尔生理学或医学奖。
吕垣澄在山中伸弥的发现基础上,开发了一种基因疗法,可以安全地逆转活动物体内细胞的年龄。在这项工作中,研究团队使用AAV腺相关病毒载体,将上述四个“山中因子”中的三个Oct4、Sox2和Klf4导入小鼠的视网膜中。
为何只选择其中三个?吕垣澄等人的前期研究显示了两个重要的挫折。第一,当应用于成年小鼠时,这四种“山中因子”也可能诱发肿瘤生长,使得该方法不安全;第二,这些因子会将细胞状态重置为最原始的细胞状态,从而也完全消除了细胞的身份。
吕垣澄及其同事通过对方法进行轻微修改,避开了这些障碍。他们放弃了c-Myc基因,只导入了剩下的三个Oct4、Sox2和Klf4。这种改良的方法最终表现出可以成功地逆转细胞老化,同时又不会刺激肿瘤生长或失去它们的身份。
在这项研究中,研究团队将目标锁定在中枢神经系统的细胞,因为它是身体中最先受到衰老影响的部分。为了测试小鼠的再生能力是否可以在成年小鼠中引入,吕垣澄、Sinclair团队和何志刚团队合作,通过AAV将改良的三基因组合导入视神经损伤的成年小鼠的视网膜神经节细胞。
这种治疗使受伤后存活的视网膜神经节细胞数量增加了2倍,神经再生增加了5倍。
“在这个项目开始的时候,我们的很多同事都说我们的方法可能会失败,或者太危险而不能使用。”吕垣澄说,“我们的研究结果表明,这种方法是安全的,可能会对眼睛和其他受衰老影响的器官的治疗产生革命性的影响。”
逆转青光眼和年龄相关性视力下降
小鼠视觉神经损伤的实验结果使得团队有信心进一步研究。
他们随后和Bruce R. Ksander、Meredith S. Gregory-Ksander团队合作。研究团队计划进行两组实验:一组测试三基因“鸡尾酒”法是否能恢复由青光眼引起的视力下降;另一组测试这种方法是否能逆转由正常衰老引起的视力下降。
在青光眼小鼠模型中,该治疗使神经细胞电活动的增加和视觉敏锐度的显著提高。值得注意的是,它是在青光眼引起的视力丧失已经发生之后才进行治疗。
“科学家们很少能证明在受伤后视觉功能能恢复。”Ksander说,“这种新方法在不需要视网膜移植的情况下,成功逆转了多种原因导致的小鼠视力丧失,代表了再生医学的一种新的治疗模式。”
这种疗法对因正常衰老而视力下降的12个月大的老年老鼠也有类似效果。在对老年小鼠进行治疗后,其视神经细胞的基因表达模式和电信号与幼龄小鼠相似,视力得到恢复。当研究人员分析细胞的分子变化时,他们发现了DNA甲基化的反向模式,表明DNA甲基化不仅仅是衰老过程中的一个标记或旁观者,而是一种驱动衰老的“活性物质”。
Sinclair说,“这告诉我们,时钟不仅仅代表时间,如果你把时钟的指针回拨,时间也会倒流。”
研究团队表示,如果这项发现在进一步的动物实验中得到证实,他们将在2年内开始临床试验,以测试该方法对青光眼患者的疗效。而在截至目前的研究中,用三基因方法对小鼠进行了为期一年的全身治疗,没有显示出副作用。
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责任编辑:李跃群
校对:张亮亮
澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 衰老,《自然》,重编程视神经,大脑神经元,山中伸弥,转录因子,基因疗法,视觉功能能恢复,青光眼

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