对于上了车龄的汽车来说，刹车或者轮胎或者发动机等等，任何一个部件的老化对于行车安全来说都是至关重要的，但通常这些部件的老化速度并不一致，也就是很容易出现一颗老鼠屎坏了一锅粥的局面。如果能让不同的部件以相近的程度老化，那么在某种程度上，汽车的寿命就能得以延长。
现在，加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员想要在细胞中实现类似的事，即通过在细胞不同衰老模式之间的来回切换，来实现细胞寿命的延长。该研究以“Engineering longevity—design of a synthetic gene oscillator to slow cellular aging”为题于2023年4月27日发表于Science。
图1 研究成果（图源：[1]）
二选一的衰老模式
这项研究建立在团队2020年的一项关于细胞衰老机制的研究的基础之上。在2020年的研究中，研究团队对单个酵母细胞的命运进行了追踪。酵母细胞作为研究衰老机制的常用有丝分裂细胞模型，具有生命周期短、生物学高度保守、易于实验操作等特性。
通过单细胞研究与数学建模相结合，研究人员发现，酵母细胞的衰老并不是有害事件的简单积累，而是更像一个二选一的决策过程：要么表现为在生命后期阶段产生具有细长型态的子细胞，核仁扩大和碎裂；要么表现为在生命后期阶段产生具有小而圆形态的子细胞，线粒体出现衰退。研究人员称之为“模式1”和“模式2”。
有意思的是，两种模式背后的机制表现出了一种互相对抗的形式。
在“模式1”中，赖氨酸脱乙酰酶Sir2蛋白的失活导致核糖体DNA（rDNA）无法维持沉默，rDNA的稳定性降低，核仁从而出现退化。在“模式2”中，细胞血红素数量下降，导致其激活的血红素激活蛋白（heme activator protein，HAP）转录复合物无法在继续维持线粒体的生物合成和功能，线粒体发生衰退。
当研究人员删去SIR2时，血红素的丰度和HAP的活性都表现出了增加，而当编码HAP复合物主要成分的HAP4被删除时，rDNA的沉默增加。反之，当Hap4表达增加时，大部分细胞在衰老过程中表现出rDNA沉默的减少，表现出“模式1”的衰老形式；而当Sir2双重过表达时，以“模式2”衰老的细胞的比例增加了。不过Sir2的过表达还产生了第三种衰老模式，即同时保持高rDNA沉默和高血红素丰度，这种细胞的寿命也更长。
设计基因振荡器
这些发现使得研究人员开始思考通过基因或化学疗法重新编程人体细胞衰老方式，以延缓人类衰老延长人类健康寿命的可能性。
在这项最新的研究中，研究人员试图重构控制酵母细胞上述两种衰老模式的基因网络，使之形成一种类似于负反馈电路的效果，让细胞能够以一定的节律在两种衰老模式之间来回振荡，避免细胞长期处于某一种模式，从而减缓细胞退化。具体来说，就是要通过重编程，实现HAP对SIR2转录的促进，以及Sir2对HAP4转录的抑制。
图2 重编程后的Sir2-HAP回路及其动态行为（图源：[1]）
为了实现上述目标，研究人员使用一种能被HAP结合并激活的启动子——CYC1（Cytochrome C1）启动子替换了SIR2的天然启动子，这就使得HAP能对SIR2产生正向的转录调节作用。为了确保HAP的高转录能力，研究人员创建了一个基因构建体，使得HAP4基因处于一种名为TDH3的强的组成型启动子的控制之下。此外，研究人员还将HAP4构建体整合到rDNA的非转录间隔区（nontranscribed spacer，NTS），这个区域受到Sir2介导的转录沉默影响，因此，Sir2就有了对HAP转录抑制的能力。
图3 基因振荡器的设计回路（图源：[1]）
改造菌株寿命延长了82%
研究人员量化了基因工程改造细胞在衰老过程中Sir2丰度的振荡情况，发现其振荡振幅远大于对照细胞，平均周期也较典型的细胞周期长5-6倍，表明该振荡并不是由细胞周期驱动的。
不过，在改造菌株之间，振荡情况并不完全相同。65%的细胞在整个生命周期中表现出持续的振荡，而35%的细胞在生命周期后期偏离了振荡。这种不同最终影响到了寿命的延长，其中前者相比对照组寿命延长了105%，后者相比对照组寿命延长了45%。这表明，维持Sir2振荡对于延长寿命是十分必要的。整体而言，改造菌株显示出了82%的寿命延长。
此外，研究人员还对Sir2双重过表达的菌株，以及Sir2双重过表达与Hap4过表达相结合的菌株进行了寿命的测量，结果发现，虽然相比对照组细胞寿命都有所延长，但仍大大低于基因振荡器带来的寿命延长，这进一步证明了寿命延长是得益于Sir2的振荡而非表达增加。
该研究的资深作者、加州大学圣地亚哥分校合成生物学研究所联合主任、生物科学学院分子生物学系的Nan Hao教授表示：“我们的工作验证了合成基因回路的可行性。这是第一次使用计算引导的合成生物学和工程原理，对衰老过程的基因回路进行了重新编程，有效地实现了细胞寿命的延长。这种长寿甚至超过了任何突变长寿细胞株。”
酵母细胞与人类细胞有许多共同之处，不过，目前的这些发现仍需要在其他类型的细胞中进行测试，比如干细胞或神经元，以确定基因振荡器在延长寿命上是否仍然有效。
参考资料：
[1]Zhen Zhou, Yuting Liu, Yushen Feng, et al. Engineering longevity—design of a synthetic gene oscillator to slow cellular aging. Science, 2023; 380 (6643): 376 DOI: 10.1126/science.add7631
