Nat Commun：无需基因改造，延长端粒就可显著延长寿命，抗击衰老
来源：本站原创 2019-11-05 06:23
2019年11月5日讯/生物谷BIOON/---端粒是位于真核生物染色体末端的核蛋白结构。它们由串联重复的TTAGGG DNA序列组成，这种序列被称为shelterin的六蛋白复合物所结合。端粒对于DNA修复活性和保护染色体末端免受DNA降解至关重要，它们在染色体稳定性中起着重要作用。由于所谓的“末端复制问题（end replication problem）”，端粒随着细胞的每一次分裂而缩短。人类
2019年11月5日讯/生物谷BIOON/---端粒是位于真核生物染色体末端的核蛋白结构。它们由串联重复的TTAGGG DNA序列组成，这种序列被称为shelterin的六蛋白复合物所结合。端粒对于DNA修复活性和保护染色体末端免受DNA降解至关重要，它们在染色体稳定性中起着重要作用。由于所谓的“末端复制问题（end replication problem）”，端粒随着细胞的每一次分裂而缩短。
端粒酶是一种核糖核酸蛋白DNA聚合酶，可通过在染色体末端重新添加TTAGGG重复序列来延长端粒，从而补偿端粒消减。端粒酶由一个逆转录酶催化亚基（称为TERT）和相关的RNA组分（Terc）组成，其中Terc用作合成TTAGGG重复序列的模板。在成年有机体中，端粒酶活性仅限于成体干细胞区室，不过，在这些区室中，不论是在人类中，还是在小鼠中，端粒酶仅有部分活性，即便在这些成体干细胞中，端粒酶的表达也不足以在整个有机体的寿命中维持端粒稳态，这也就无法阻止随着年龄的增长而发生的渐进性端粒缩短（progressive telomere shortening）。
端粒的长度由遗传决定，端粒的平均长度和端粒缩短的速率在不同物种之间有所不同。在这方面，人类天生具有比小鼠更短的端粒，但是小鼠端粒的缩短速率比人类快100倍。当端粒缩短到极限长度时，它们会诱导持续的DNA损伤反应（DNA damage response）和基因组不稳定性，从而引发其他的细胞事件，比如细胞衰老和/或凋亡，以及削弱干细胞再生组织的能力。端粒缩短被认为是衰老的特征之一，这是因为较短的端粒足以引起有机体衰老和寿命缩短。科学家们已发现使用不同的端粒酶过表达方法（包括基因治疗策略）来维持成年小鼠中的端粒长度可以延缓衰老和年龄相关病理特征，并延长它们的寿命。
但是，端粒酶在大多数人类癌症中都被重新激活，这引起了人们对端粒酶重新激活在促进肿瘤发生中的潜在负面长期影响的关注。在这方面，越来越多的证据表明即使在癌基因受到激活的情况下，通过使用非整合型AAV病毒载体使得成年小鼠中的端粒酶重新激活也不会导致癌症的增加。然而，大型人群研究已表明在人类中，更长端粒的存在与肺癌等某些癌症的发病率增加有关。此外，Pot1 shelterin基因发生的导致更长端粒的生殖细胞突变与多种类型的家族性癌症---比如黑色素瘤和神经胶质瘤---有关。尽管在后一种情况下，Pot1突变不仅导致更长的端粒，而且还导致端粒畸变增加，这种端粒畸变增加也可能是导致癌症易感性增加的原因。因此，在端粒酶不被激活或不发生其他端粒变化的情况下，探究较长的端粒本身是否可以促进肿瘤发生具有重要意义。
在小鼠中，西班牙国立癌症研究中心（CNIO）的Maria A. Blasco研究团队和其他人之前已证实端粒酶在胚泡阶段被激活，在该阶段，端粒在内细胞团（ICM）中延长，以这种方式设定了给定物种的正常端粒长度。有趣的是，Blasco团队还发现源自ICM的胚胎干细胞（ESC）在体外增殖时允许它们的端粒进一步延长而超过这个物种的正常端粒长度，从而产生所谓的超长端粒胚胎干细胞（hyper-long telomere ESC）。这种端粒的延长与多能性阶段的表观遗传变化有关，这些表观遗传变化允许更“开放”的端粒染色质结构，并且在不存在明显的基因表达变化的情况下允许端粒酶介导的端粒延伸。近期，Blasco团队证实这些具有超长端粒的小鼠ESC可以聚合成桑椹胚（morulae），从而获得嵌合体小鼠，这些嵌合体小鼠也由具有比正常情形下更长端粒的细胞组成。因此，具有超长端粒的ESC能够产生所有的成年器官，并且不会影响这些器官的正常结构和功能。但是，有必要开展进一步的研究来解决增加一种物种的天然端粒长度的长期影响。
为此，在一项新的研究中，Blasco团队百分百地利用具有超长端粒的ESC培育出嵌合体小鼠，即超长端粒小鼠（hyper-long telomere mice），随后在它们的整个生命周期中对它们进行了跟踪。相关研究结果近期发表在Nature Communications期刊上，论文标题为“Mice with hyper-long telomeres show less metabolic aging and longer lifespans”。
这些研究人员发现这些由具有超长端粒的ESC培育出的小鼠在较大年龄时具有比正常情形下更长的端粒，而且未显示出任何病理异常。相应地，与具有正常端粒长度的对照小鼠相比，在超长端粒小鼠中，随着年龄的增长，呈现出整体DNA损伤以及端粒缩短诱导的DNA损伤的细胞数量显著减少。同样，在超长端粒小鼠中，衰老标志物p21的水平下降了。
有趣的是，从第40周开始，超长端粒小鼠的体重比对照小鼠减轻了。这些研究人员进一步发现这种体重减小的原因是在瘦体重变化不大的情况下脂肪堆积减少。此外，超长端粒小鼠表现出“年轻”的代谢表型迹象，这表明在它们的一生中，血清中的LDL、ALT和胆固醇水平显著下降。再者，它们显示出对葡萄糖和胰岛素摄入的敏感性增加，即使在年老时也是如此，因此这就表明相比于具有正常端粒长度的对照组小鼠，超长端粒小鼠具有“更年轻”的代谢年龄。
先前的报道已表明线粒体功能下降与端粒功能障碍有关。与这些先前的发现相一致的是，Blasco团队的当前数据表明具有超长端粒的小鼠具有改善的线粒体功能。特别是，他们发现在超长端粒小鼠中，Pgc1-α/β以及其靶基因Errα和Pparα的表达增加了。此外，与具有正常端粒长度的对照组小鼠相比，超长端粒小鼠还显示出增加的线粒体DNA拷贝数和增加的OXPHOS线粒体基因细胞色素C、ATP合酶、细胞色素C亚基6和细胞色素C亚基5a表达水平。总之，这些发现表明，超长端粒小鼠的线粒体活性增强，这可能有助于它们的代谢性能的改善。
超长端粒小鼠比正常小鼠瘦。图片来自Nature Communications, 2019, doi:10.1038/s41467-019-12664-x。
重要的是，Blasco团队并没有观察到超长端粒小鼠具有增加的自发性肿瘤发生率，相反，与具有正常端粒长度的对照小鼠相比，它们显示出明显的减少自发性肿瘤的趋势，因此这就表明较长的端粒本身并不增加肿瘤的发生，相反似乎会降低癌症风险，这与更年轻状态时的情形相一致。同样与此相一致的是，他们发现超长端粒小鼠的寿命比对照小鼠长，中位生存期增加12.75％，最大生存期增加8.4％。可能有人提出，在这项研究中使用的100％嵌合小鼠可能来自供体滋养层细胞，其性别可能会影响这些小鼠的生存。然而，众所周知，滋养层细胞的全部作用在于它们能够形成胎盘和羊膜囊，这不太可能影响成年小鼠。
由此可知，Blasco团队在这项研究中提供了一种在没有基因操作的情况下可以延迟衰老的小鼠模型。这个小鼠模型具有抗衰老表型，这些抗衰老表型也存在于先前描述的具有延迟衰老特性的几种转基因小鼠模型中。特别地，Blasco团队开发的这个小鼠模型显示出与生长激素（GH）突变侏儒小鼠相类似的体型减小，胰岛素敏感性增强，甚至致命性肿瘤的发生率下降，不过也存在明显的差异，比如，前者具有更低的身体脂肪，然而这种侏儒小鼠容易堆积身体脂肪。在这方面，超长端粒小鼠与胰岛素样生长因子（IGF）突变小鼠更相似，后者还具有身体脂肪堆积减少的特点。
总而言之，Blasco团证实通过增加胚胎干细胞的传代数量并在不进行基因修饰的情况下，可以产生端粒比自然物种长得多的小鼠。这些超长端粒小鼠表现出更年轻的表型，体现为线粒体功能改善、代谢参数改善、癌症减少和寿命延长。这些结果还表明，在物种中，端粒较长的个体并不存在负性选择，因此，人们可以预见，在特定物种中，有利于端粒较长的个体的自然选择过程可能会延长物种寿命。最后，这些发现提出了一种诱导具有更长端粒的个体的潜在方法可能是在端粒被延长的胚胎发育过程中调节多能性阶段的持续时间。（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
Miguel A. Mu?oz-Lorente et al. Mice with hyper-long telomeres show less metabolic aging and longer lifespans. Nature Communications, 2019, doi:10.1038/s41467-019-12664-x.
人类基因组，图片来自Wikipedia。
端粒酶是一种核糖核酸蛋白DNA聚合酶，可通过在染色体末端重新添加TTAGGG重复序列来延长端粒，从而补偿端粒消减。端粒酶由一个逆转录酶催化亚基（称为TERT）和相关的RNA组分（Terc）组成，其中Terc用作合成TTAGGG重复序列的模板。在成年有机体中，端粒酶活性仅限于成体干细胞区室，不过，在这些区室中，不论是在人类中，还是在小鼠中，端粒酶仅有部分活性，即便在这些成体干细胞中，端粒酶的表达也不足以在整个有机体的寿命中维持端粒稳态，这也就无法阻止随着年龄的增长而发生的渐进性端粒缩短（progressive telomere shortening）。
端粒的长度由遗传决定，端粒的平均长度和端粒缩短的速率在不同物种之间有所不同。在这方面，人类天生具有比小鼠更短的端粒，但是小鼠端粒的缩短速率比人类快100倍。当端粒缩短到极限长度时，它们会诱导持续的DNA损伤反应（DNA damage response）和基因组不稳定性，从而引发其他的细胞事件，比如细胞衰老和/或凋亡，以及削弱干细胞再生组织的能力。端粒缩短被认为是衰老的特征之一，这是因为较短的端粒足以引起有机体衰老和寿命缩短。科学家们已发现使用不同的端粒酶过表达方法（包括基因治疗策略）来维持成年小鼠中的端粒长度可以延缓衰老和年龄相关病理特征，并延长它们的寿命。
但是，端粒酶在大多数人类癌症中都被重新激活，这引起了人们对端粒酶重新激活在促进肿瘤发生中的潜在负面长期影响的关注。在这方面，越来越多的证据表明即使在癌基因受到激活的情况下，通过使用非整合型AAV病毒载体使得成年小鼠中的端粒酶重新激活也不会导致癌症的增加。然而，大型人群研究已表明在人类中，更长端粒的存在与肺癌等某些癌症的发病率增加有关。此外，Pot1 shelterin基因发生的导致更长端粒的生殖细胞突变与多种类型的家族性癌症---比如黑色素瘤和神经胶质瘤---有关。尽管在后一种情况下，Pot1突变不仅导致更长的端粒，而且还导致端粒畸变增加，这种端粒畸变增加也可能是导致癌症易感性增加的原因。因此，在端粒酶不被激活或不发生其他端粒变化的情况下，探究较长的端粒本身是否可以促进肿瘤发生具有重要意义。
在小鼠中，西班牙国立癌症研究中心（CNIO）的Maria A. Blasco研究团队和其他人之前已证实端粒酶在胚泡阶段被激活，在该阶段，端粒在内细胞团（ICM）中延长，以这种方式设定了给定物种的正常端粒长度。有趣的是，Blasco团队还发现源自ICM的胚胎干细胞（ESC）在体外增殖时允许它们的端粒进一步延长而超过这个物种的正常端粒长度，从而产生所谓的超长端粒胚胎干细胞（hyper-long telomere ESC）。这种端粒的延长与多能性阶段的表观遗传变化有关，这些表观遗传变化允许更“开放”的端粒染色质结构，并且在不存在明显的基因表达变化的情况下允许端粒酶介导的端粒延伸。近期，Blasco团队证实这些具有超长端粒的小鼠ESC可以聚合成桑椹胚（morulae），从而获得嵌合体小鼠，这些嵌合体小鼠也由具有比正常情形下更长端粒的细胞组成。因此，具有超长端粒的ESC能够产生所有的成年器官，并且不会影响这些器官的正常结构和功能。但是，有必要开展进一步的研究来解决增加一种物种的天然端粒长度的长期影响。
为此，在一项新的研究中，Blasco团队百分百地利用具有超长端粒的ESC培育出嵌合体小鼠，即超长端粒小鼠（hyper-long telomere mice），随后在它们的整个生命周期中对它们进行了跟踪。相关研究结果近期发表在Nature Communications期刊上，论文标题为“Mice with hyper-long telomeres show less metabolic aging and longer lifespans”。
这些研究人员发现这些由具有超长端粒的ESC培育出的小鼠在较大年龄时具有比正常情形下更长的端粒，而且未显示出任何病理异常。相应地，与具有正常端粒长度的对照小鼠相比，在超长端粒小鼠中，随着年龄的增长，呈现出整体DNA损伤以及端粒缩短诱导的DNA损伤的细胞数量显著减少。同样，在超长端粒小鼠中，衰老标志物p21的水平下降了。
有趣的是，从第40周开始，超长端粒小鼠的体重比对照小鼠减轻了。这些研究人员进一步发现这种体重减小的原因是在瘦体重变化不大的情况下脂肪堆积减少。此外，超长端粒小鼠表现出“年轻”的代谢表型迹象，这表明在它们的一生中，血清中的LDL、ALT和胆固醇水平显著下降。再者，它们显示出对葡萄糖和胰岛素摄入的敏感性增加，即使在年老时也是如此，因此这就表明相比于具有正常端粒长度的对照组小鼠，超长端粒小鼠具有“更年轻”的代谢年龄。
先前的报道已表明线粒体功能下降与端粒功能障碍有关。与这些先前的发现相一致的是，Blasco团队的当前数据表明具有超长端粒的小鼠具有改善的线粒体功能。特别是，他们发现在超长端粒小鼠中，Pgc1-α/β以及其靶基因Errα和Pparα的表达增加了。此外，与具有正常端粒长度的对照组小鼠相比，超长端粒小鼠还显示出增加的线粒体DNA拷贝数和增加的OXPHOS线粒体基因细胞色素C、ATP合酶、细胞色素C亚基6和细胞色素C亚基5a表达水平。总之，这些发现表明，超长端粒小鼠的线粒体活性增强，这可能有助于它们的代谢性能的改善。
超长端粒小鼠比正常小鼠瘦。图片来自Nature Communications, 2019, doi:10.1038/s41467-019-12664-x。
重要的是，Blasco团队并没有观察到超长端粒小鼠具有增加的自发性肿瘤发生率，相反，与具有正常端粒长度的对照小鼠相比，它们显示出明显的减少自发性肿瘤的趋势，因此这就表明较长的端粒本身并不增加肿瘤的发生，相反似乎会降低癌症风险，这与更年轻状态时的情形相一致。同样与此相一致的是，他们发现超长端粒小鼠的寿命比对照小鼠长，中位生存期增加12.75％，最大生存期增加8.4％。可能有人提出，在这项研究中使用的100％嵌合小鼠可能来自供体滋养层细胞，其性别可能会影响这些小鼠的生存。然而，众所周知，滋养层细胞的全部作用在于它们能够形成胎盘和羊膜囊，这不太可能影响成年小鼠。
由此可知，Blasco团队在这项研究中提供了一种在没有基因操作的情况下可以延迟衰老的小鼠模型。这个小鼠模型具有抗衰老表型，这些抗衰老表型也存在于先前描述的具有延迟衰老特性的几种转基因小鼠模型中。特别地，Blasco团队开发的这个小鼠模型显示出与生长激素（GH）突变侏儒小鼠相类似的体型减小，胰岛素敏感性增强，甚至致命性肿瘤的发生率下降，不过也存在明显的差异，比如，前者具有更低的身体脂肪，然而这种侏儒小鼠容易堆积身体脂肪。在这方面，超长端粒小鼠与胰岛素样生长因子（IGF）突变小鼠更相似，后者还具有身体脂肪堆积减少的特点。
总而言之，Blasco团证实通过增加胚胎干细胞的传代数量并在不进行基因修饰的情况下，可以产生端粒比自然物种长得多的小鼠。这些超长端粒小鼠表现出更年轻的表型，体现为线粒体功能改善、代谢参数改善、癌症减少和寿命延长。这些结果还表明，在物种中，端粒较长的个体并不存在负性选择，因此，人们可以预见，在特定物种中，有利于端粒较长的个体的自然选择过程可能会延长物种寿命。最后，这些发现提出了一种诱导具有更长端粒的个体的潜在方法可能是在端粒被延长的胚胎发育过程中调节多能性阶段的持续时间。（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
Miguel A. Mu?oz-Lorente et al. Mice with hyper-long telomeres show less metabolic aging and longer lifespans. Nature Communications, 2019, doi:10.1038/s41467-019-12664-x.
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