變化在最近發(fā)表在《cell》雜志上的一項(xiàng)研究中，Yang等人揭示了由忠實(shí)的DNA修復(fù)引起的表觀遺傳景觀的變化是加速哺乳動(dòng)物器官或組織衰老的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。令人印象深刻的是，衰老過程中H3K27ac景觀的變化會(huì)影響細(xì)胞身份的維持，并且這種衰老過程可以通過先鋒轉(zhuǎn)錄因子Oct4，Sox2和Klf4（OSK）在活哺乳動(dòng)物中的誘導(dǎo)表達(dá)來逆轉(zhuǎn)。
在哺乳動(dòng)物中，DNA甲基化的全局和局部發(fā)生在衰老過程中的基因組中。此外，在所有衰老模型中都觀察到組蛋白的一般丟失和全局染色質(zhì)重塑，而在細(xì)胞命運(yùn)的反向重編程中，可導(dǎo)致表觀遺傳和恢復(fù)活力的表觀基因組的全局變化，這表明重編程逆轉(zhuǎn)衰老的潛力。然而，由于沒有系統(tǒng)的研究揭示衰老過程中表觀基因組變化的特征，目前尚不清楚表觀遺傳景觀的變化是衰老的后果（標(biāo)記）還是直接原因。作者此前發(fā)現(xiàn)，衰老過程中表觀遺傳景觀的喪失是由對(duì)細(xì)胞損傷的反應(yīng)驅(qū)動(dòng)的，例如DNA雙鏈斷裂（DSBs），這是真核生物從酵母到哺乳動(dòng)物的保守機(jī)制，這為測(cè)試表觀基因組變化與哺乳動(dòng)物衰老之間的關(guān)系提供了一個(gè)模型。
作者使用了一種轉(zhuǎn)基因小鼠模型（稱為表觀基因組（ICE）系統(tǒng)誘導(dǎo)變化或ICE小鼠），其中I-PpoI限制性內(nèi)切酶靶向小鼠基因組中的20個(gè)典型位點(diǎn)（19個(gè)位于非編碼區(qū)域），并在他莫昔芬的控制下創(chuàng)建突變率低的DSB（圖 1a）。在誘導(dǎo)后10個(gè)月，他們觀察到ICE小鼠表現(xiàn)出身體衰老（圖 1a）。此外，誘導(dǎo)后ICE小鼠表現(xiàn)出大腦和肌肉老化，如圖所示的多項(xiàng)分析所示。圖 1a。由于CpG位點(diǎn)甲基化水平是預(yù)測(cè)年齡的可靠生物標(biāo)志物，作者建立了兩個(gè)表觀遺傳時(shí)鐘，調(diào)整彈性網(wǎng)絡(luò)回歸模型，根據(jù)血液（743）和肌肉（2048）的年齡相關(guān)CpG計(jì)算誘導(dǎo)后ICE小鼠的表觀遺傳年齡。根據(jù)這兩個(gè)時(shí)鐘，ICE小鼠表現(xiàn)出50%的衰老速度。總之，本研究提供了一種新的加速衰老小鼠模型，該模型在物理和表觀遺傳學(xué)上表型復(fù)制了正常的小鼠衰老過程。
圖1 ICE小鼠模型的圖和分子機(jī)制。左邊是ICE組系統(tǒng)的誘導(dǎo)變化。在這個(gè)基因工程小鼠模型中，核酸內(nèi)切酶I-PpoI和Cre-ER的重組蛋白T2受到他莫昔芬的控制。如果加入他莫昔芬，I-PpoI將進(jìn)入細(xì)胞核以產(chǎn)生DNA雙鏈斷裂，然后通過忠實(shí)的DNA修復(fù)途徑進(jìn)行修復(fù)。右，ICE模型的老化表型。b ICE模型中的表觀遺傳景觀變化，包括H3K27ac的侵蝕，重塑染色質(zhì)接觸和異常的超級(jí)增強(qiáng)子。c 細(xì)胞再生圖。簡(jiǎn)而言之，在ICE/老年小鼠細(xì)胞中過表達(dá)Oct4 / Sox2 / Klf4可以恢復(fù)年輕的細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組。
為了機(jī)械地解決ICE小鼠衰老較快的原因，作者進(jìn)行了多種組蛋白修飾的質(zhì)譜定量和ChIP-seq實(shí)驗(yàn)，后處理的ICE細(xì)胞顯示出較低水平的H3K27ac信號(hào)，對(duì)應(yīng)于H3K27ac景觀的全基因組侵蝕（圖 1b）。有趣的是，同源盒（Hox）簇是一個(gè)發(fā)育轉(zhuǎn)錄因子家族，其特征在于H3K27ac，H3K56ac和H3K27me3信號(hào)的改變。此外，誘導(dǎo)后ICE細(xì)胞中染色質(zhì)的空間組織也在Hox位點(diǎn)發(fā)生了改變，首先提供了細(xì)胞衰老中存在多種調(diào)節(jié)機(jī)制的證據(jù)，例如染色質(zhì)修飾和染色質(zhì)接觸，是由忠實(shí)的DNA修復(fù)驅(qū)動(dòng)的（圖 1b）。在哺乳動(dòng)物中，H3K27ac信號(hào)標(biāo)記的增強(qiáng)子或超級(jí)增強(qiáng)子（SE）與細(xì)胞身份有關(guān)。在誘導(dǎo)后ICE小鼠中，器官特異性SE失調(diào)，例如Nfkbid脾臟特異性SE處的H3K27ac信號(hào)在肌肉中異常增強(qiáng)，表明后處理的ICE小鼠的肌肉失去了其原始身份并朝著免疫特征分化（圖 1b）。有趣的是，Oct4，Sox2和Klf4的強(qiáng)制表達(dá)是小鼠胚胎干細(xì)胞的先驅(qū)轉(zhuǎn)錄因子，使誘導(dǎo)后ICE小鼠或老年小鼠的細(xì)胞的mRNA轉(zhuǎn)錄組恢復(fù)活力（圖1c），證實(shí)表觀基因組變化是衰老過程的原因之一。
影響衰老過程和壽命的因素很多，包括端粒縮短、線粒體功能障礙和營(yíng)養(yǎng)攝入過多等，這是基于這些因素構(gòu)建的，過去幾年已經(jīng)建立了衰老加速小鼠模型。與D-半乳糖誘導(dǎo)的衰老模型或全身照射（TBI）模型相比，ICE模型具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，哺乳動(dòng)物細(xì)胞在細(xì)胞增殖和分化過程中遭受DNA修復(fù)應(yīng)激。相反，過量攝入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或輻射并不是主要哺乳動(dòng)物種群面臨的壓力。其次，ICE模型更具方向性和穩(wěn)健性，因?yàn)檎丈鋾?huì)導(dǎo)致副作用，例如白血病或?qū)嶓w瘤。雖然照射直接導(dǎo)致DNA DSB，但它與更高的易出錯(cuò)修復(fù)和突變率有關(guān);相反，ICE模型更喜歡忠實(shí)的DNA修復(fù)。第三，ICE模型是一個(gè)可誘導(dǎo)的系統(tǒng)，可以修改為在感興趣的組織或器官中發(fā)揮作用，從而能夠在衰老過程中探索不同組織或器官之間的聯(lián)系。這項(xiàng)研究的局限性在于沒有進(jìn)行深入分析，例如構(gòu)建單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜或表觀基因組分析。
由于ICE模型中的誘導(dǎo)后，表觀基因組發(fā)生了巨大變化，特別是一種組蛋白修飾-H3K27ac的全局侵蝕，這有助于驗(yàn)證每個(gè)細(xì)胞系中的增強(qiáng)子。由于超級(jí)增強(qiáng)子被認(rèn)為是表觀基因組中細(xì)胞身份或命運(yùn)的調(diào)節(jié)因子，因此這項(xiàng)研究的結(jié)果符合超級(jí)增強(qiáng)子在衰老過程中控制細(xì)胞身份的概念。因此，衰老過程中的表觀基因組變化導(dǎo)致細(xì)胞身份的喪失，導(dǎo)致某些組織或器官的缺陷。此外，該結(jié)論還有助于解釋為什么通過誘導(dǎo)OSK表達(dá)進(jìn)行細(xì)胞重編程可以使衰老細(xì)胞恢復(fù)活力。除了DNA去甲基化，以O(shè)SK為主的H3K27ac重編程是使衰老細(xì)胞恢復(fù)活力的關(guān)鍵步驟。因此，這項(xiàng)研究意味著誘導(dǎo)細(xì)胞重編程的小分子或化合物可以在未來的研究中進(jìn)一步測(cè)試以恢復(fù)衰老細(xì)胞的活力。
總體而言，Yang等人為研究哺乳動(dòng)物衰老過程提供了基礎(chǔ)，甚至在可預(yù)見的未來使生物體恢復(fù)活力。
以上內(nèi)容來源于cell雜志，詳見文章《The loss of epigenetic information: not only consequences but a cause of mammalian aging》
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