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Science:中国科学家在干细胞衰老研究领域取得巨大进展

来源:生物谷 2015-05-04 11:12

2015年5月4日讯/生物谷BIOON/--衰老一直是生命过程中的核心环节,也是影响整个人类社会健康发展的重要问题。目前世界各国均面临着严重的人口老龄化,数据显示到2050年约三分之一的中国人口年龄将超过60岁。因此,深入了解衰老发生的机制是人类延缓衰老和治疗相关疾病的重要内容。然而,人类衰老的过程漫长且复杂,小鼠等模式动物的衰老过程与人相差甚远,人类衰老的转化医学研究一直面临着巨大的挑战。成年早衰症(Werner Syndrome)是一种罕见的常染色体隐性遗传病,由WRN基因(编码一种DNA修复/解旋酶)的突变所致。成年早衰症患者自青春期开始提前启动衰老程序,加速呈现出自然衰老的表征并伴发多种老年性疾病。因此,研究成年早衰症对于揭示人类自然衰老的奥秘以及实现防治衰老相关疾病具有重要的科学意义。

中科院生物物理所刘光慧、北京大学汤富酬以及Salk研究所Juan Carlos Izpisua Belmonte等人最近在Science杂志上在线发表了题为"A Werner syndrome stem cell model unveils heterochromatin alterations as a driver of human aging"的最新研究成果,报告了他们在干细胞衰老机理方面的一项突破性的研究成果。该研究结合多能干细胞定向分化技术、基因组靶向编辑技术、以及表观遗传组分析技术首次揭示了异染色质的高级结构失序(disorganization)是人类干细胞衰老的驱动力之一,为延缓衰老及研究和防治衰老相关疾病提供了新的潜在靶点和思路。

研究人员提出了“组织干细胞的加速衰老(耗竭)可能是人类早衰症的病因”的假设。基于这一假说,研究人员通过基因组靶向编辑技术使得人间充质干细胞(MSC)中的WRN基因发生纯合缺失突变,在实验室“制造”出人类早衰症特异的MSC。这些早衰症MSC不仅表现出生长速度减慢、DNA损伤反应加剧和分泌大量炎性因子等衰老指征,而且表现出内层核膜蛋白以及核周异染色质的加速缺失。通过对组蛋白共价修饰、DNA甲基化、以及RNA转录本进行全基因组扫描,研究人员发现早衰症干细胞的异染色质发生了显着的结构退行性变化,主要表现为着丝粒和端粒附近的H3K9me3“山脉”(mountains)的缺失。进一步研究发现,WRN蛋白同异染色质蛋白SUV39H1和HP1?共存于一个蛋白复合物中,该复合物具有维持异染色质和核纤层的稳定性以及阻止MSC衰老的作用。WRN的缺失导致异染色质结合蛋白的减少以及着丝粒卫星DNA的转录,进而诱发细胞衰老。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蛋白和异染色质结构的异常,提示异染色质的重塑可能是正常细胞衰老的驱动力之一。最后,研究发现过量表达HP1?能抑制早衰症细胞的加速衰老,因而为未来干预人类干细胞的衰老提供了可能的分子靶标。

此项研究不仅首次揭示了WRN蛋白在表观遗传调控方面的全新功能,而且第一次确立了染色质高级结构的改变在驱动人类细胞衰老中发挥的核心作用。这些新型发现为在表观遗传水平实现延缓或逆转细胞衰老奠定了理论基础。(生物谷Bioon.com)

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生物谷推荐的英文摘要:

Science    DOI: 10.1126/science.aaa1356

A Werner syndrome stem cell model unveils heterochromatin alterations as a driver of human aging

Weiqi Zhang, Jingyi Li, Keiichiro Suzuki, Jing Qu, Ping Wang, Junzhi Zhou, Xiaomeng Liu, Ruotong Ren, Xiuling Xu, Alejandro Ocampo, Tingting Yuan, Jiping Yang, Ying Li, Liang Shi, Dee Guan, Huize Pan, Shunlei Duan, Zhichao Ding, Mo Li, Fei Yi, Ruijun Bai, Yayu Wang, Chang Chen, Fuquan Yang, Xiaoyu Li, Zimei Wang, Emi Aizawa, April Goebl, Rupa Devi Soligalla, Pradeep Reddy, Concepcion Rodriguez Esteban, Fuchou Tang, Guang-Hui Liu1, Juan Carlos Izpisua Belmonte

Werner syndrome (WS) is a premature aging disorder caused by WRN protein deficiency. Here, we report on the generation of a human WS model in human embryonic stem cells (ESCs). Differentiation of WRN-null ESCs to mesenchymal stem cells (MSCs) recapitulates features of premature cellular aging, a global loss of H3K9me3, and changes in heterochromatin architecture. We show that WRN associates with heterochromatin proteins SUV39H1 and HP1α and nuclear lamina-heterochromatin anchoring protein LAP2β. Targeted knock-in of catalytically inactive SUV39H1 in wild-type MSCs recapitulates accelerated cellular senescence, resembling WRN-deficient MSCs. Moreover, decrease in WRN and heterochromatin marks are detected in MSCs from older individuals. Our observations uncover a role for WRN in maintaining heterochromatin stability and highlight heterochromatin disorganization as a potential determinant of human aging.

 

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