延緩衰老，是人類追求有質(zhì)量生活的永恒主題?？茖W(xué)家們試圖通過多種方法解密衰老，其中，被稱為人類基因組“暗物質(zhì)”之一的古病毒，成了人們了解衰老的一把“鑰匙”。中國科學(xué)院衰老與再生研究團隊提出了古病毒的“復(fù)活”會驅(qū)動衰老及相關(guān)疾病的新理論，為理解衰老的內(nèi)在機制和發(fā)展延緩衰老的干預(yù)策略提供了新依據(jù)。這項成果，入選國家自然科學(xué)基金委員會評為2023年度“中國科學(xué)十大進展”。
ERV古病毒，人類基因組中的“暗物質(zhì)”
國家統(tǒng)計局公布的最新人口數(shù)據(jù)顯示，截至2023年末，我國60歲及以上人口為29697萬人，占總?cè)丝诘?1.1%，其中65歲及以上人口為21676萬人，占總?cè)丝诘?5.4%。解開衰老的奧秘，讓人們的生活更有質(zhì)量，是科學(xué)家們永恒的研究主題。
我們研究的視角聚焦在病毒上。在日常生活中，病毒總是跟疾病相關(guān)聯(lián)。其實，病毒與人類的關(guān)系源遠(yuǎn)流長，與病毒之間的持久斗爭和協(xié)同進化也是人類演化的重要推動力之一。一方面，病毒使人類飽受疾病甚至死亡的困擾，并在此過程中對人類基因組進行不斷地利用與改造；另一方面，人類自身的免疫系統(tǒng)也會積極對抗病毒的入侵，或有效清除這些外來微生物，或使得整合到人類基因組中的病毒序列逐漸被宿主細(xì)胞的遺傳調(diào)控系統(tǒng)接管，以實現(xiàn)協(xié)同進化。
內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒（Endogenous Retrovirus，ERV）便是數(shù)百萬年前遠(yuǎn)古病毒入侵并整合到人類基因組的遺跡——“古病毒化石”。這些被宿主細(xì)胞俘獲的ERV遺傳信息，在漫長的歲月中經(jīng)過突變、缺失等變異，逐漸演化成人類基因組中的“暗物質(zhì)”之一，并作為重要的基因記憶被保留下來，占據(jù)了整個人類基因組序列的8%左右。因此，在生命的孕育及演化過程中，遠(yuǎn)古病毒呈現(xiàn)出一種貌似與人類和諧共生的景象。
這種古病毒和衰老有什么關(guān)系呢？
衰老是機體隨著年齡增長而發(fā)生的結(jié)構(gòu)和功能的衰退過程，是許多人類慢性疾病發(fā)生的最大風(fēng)險因素。細(xì)胞衰老是機體衰老及各種衰老相關(guān)疾病發(fā)生發(fā)展的重要誘因，表觀遺傳的程序化改變被認(rèn)為是決定細(xì)胞衰老進程的關(guān)鍵因素。人類基因組中潛藏著諸多“老化信號”，這些信息流通常受到表觀遺傳的嚴(yán)密調(diào)控而處于沉默狀態(tài)。但是，隨著年齡增長，這些“老化信號”會因表觀遺傳失序而逃離管控，進而促發(fā)細(xì)胞內(nèi)的一系列衰老程序。
而占據(jù)人類基因組序列較大比例、如“死火山”般沉寂的ERV古病毒元件，是否會掙脫“封印”再次蘇醒，并參與衰老的程序化調(diào)控？這仍未可知。因此，深入解析ERV在細(xì)胞衰老中的變化、作用和機制，將有助于我們更加全面地理解衰老、評估衰老、干預(yù)衰老，進而為有效防治衰老相關(guān)疾病，為積極應(yīng)對人口老齡化提供新思路。
ERV古病毒“復(fù)活”，是否參與衰老進程
我們利用基因編輯技術(shù)構(gòu)建了人類早衰癥間充質(zhì)干細(xì)胞衰老研究模型，以模擬兒童早衰癥和成年早衰癥?；谏鲜瞿Ｐ?，通過繪制多維表觀基因組及轉(zhuǎn)錄組圖譜，我們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞衰老過程中表觀基因組的“熵增”會伴隨著一系列基因的異常表達(dá)，其中，以ERV的激活最引人注目。
借助單分子RNA熒光原位雜交、免疫熒光及電鏡實驗，我們在這些衰老細(xì)胞中檢測到了ERV轉(zhuǎn)錄本、蛋白及病毒樣顆粒的顯著增加。為了確定ERV的激活如何影響細(xì)胞衰老，我們利用基因編輯策略介導(dǎo)的靶向激活技術(shù)操縱ERV的表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)激活ERV會誘導(dǎo)細(xì)胞加速衰老，從而證實了ERV的“復(fù)活”，是細(xì)胞衰老的罪魁禍?zhǔn)住?/p>
隨后，我們探究了導(dǎo)致ERV復(fù)活的潛在調(diào)控機制，發(fā)現(xiàn)衰老細(xì)胞中DNA甲基化的喪失、異染色質(zhì)組蛋白標(biāo)記H3K9me3的減少以及激活性組蛋白標(biāo)記H3K36me3的增加，可能是驅(qū)動ERV激活的上游事件。利用甲基化酶抑制劑處理年輕的細(xì)胞，降低其DNA甲基化水平，則會激活ERV的表達(dá)并加速年輕細(xì)胞的衰老。因此，這些表觀“封印”的松動使得ERV古病毒得以蘇醒，進而導(dǎo)致了衰老。
然而，ERV古病毒又是如何導(dǎo)致衰老進程的開始呢？一方面，我們發(fā)現(xiàn)ERV反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在衰老細(xì)胞的胞漿中蓄積，進而促發(fā)天然免疫通路的級聯(lián)反應(yīng)。這種本能的細(xì)胞抗病毒反應(yīng)意在降低病毒的損害，然而卻事與愿違，這一防御性機制卻恰恰導(dǎo)致了炎癥信號的活化，并最終加速了細(xì)胞的早衰。另一方面，在衰老細(xì)胞的培養(yǎng)上清中，我們檢測到了被釋放出來的ERV病毒顆粒，發(fā)現(xiàn)這些古病毒顆?？赏ㄟ^旁分泌或體液介導(dǎo)的方式，在器官、組織、細(xì)胞間有效傳遞并放大衰老信號，最終使得年輕細(xì)胞因受“感染”而老化，而使衰老具有了“傳染性”。
除了上述人早衰癥干細(xì)胞模型，我們還在復(fù)制性衰老、生理性衰老的人干細(xì)胞模型以及人成纖維細(xì)胞衰老模型中觀察到了ERV的上調(diào)表達(dá)。此外，我們也在小鼠和食蟹猴的生理性、病理性多器官衰老模型中，以及老年人群的皮膚和血清中檢測到了ERV的激活。這些結(jié)果表明，ERV的“復(fù)活”可以作為跨物種、多組織、多細(xì)胞類型衰老的保守性分子標(biāo)志，具備成為臨床上衡量人體衰老程度指征的潛力。
“封印”ERV古病毒，能否阻止衰老？
基于上述發(fā)現(xiàn)，我們能不能通過發(fā)展一系列新型干預(yù)技術(shù)以重新“封印”這些ERV古病毒元件，阻止或延緩衰老？
我們在細(xì)胞水平進行了一系列“封印”古病毒的嘗試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，利用基因編輯介導(dǎo)的基因抑制和短發(fā)夾RNA（shRNA）介導(dǎo)的基因沉默技術(shù)，降低ERV的表達(dá)水平可以有效延緩細(xì)胞衰老。隨后，利用逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑阿巴卡韋阻斷ERV的反轉(zhuǎn)錄過程，同樣可以有效減少ERV的活化、減輕細(xì)胞的炎癥反應(yīng)，進而改善衰老相關(guān)表型。進一步，通過發(fā)展針對ERV的中和抗體技術(shù)，我們成功實現(xiàn)對病毒顆粒的靶向清除，從而阻斷了衰老信號“傳染”放大的途徑，同樣使得細(xì)胞的衰老表型得以延緩甚至逆轉(zhuǎn)。
基于小鼠衰老模型，我們概念性地驗證了上述細(xì)胞衰老干預(yù)策略在體內(nèi)阻斷ERV復(fù)活、緩解組織乃至機體衰老的可行性。
首先，我們通過向老年小鼠關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射靶向抑制小鼠ERV的慢病毒載體，成功抑制了ERV古病毒的激活，使老年小鼠關(guān)節(jié)軟骨組織的炎癥和衰老指標(biāo)得以減輕，同時，也促進了關(guān)節(jié)軟骨的組織再生以及生理機能。
其次，通過向老年小鼠關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射阿巴卡韋，同樣實現(xiàn)了關(guān)節(jié)軟骨衰老表型的緩解及再生能力的提升。
最后，我們將阿巴卡韋溶解在飲用水中，對老年小鼠進行為期6個月的處理，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，口服阿巴卡韋的小鼠表現(xiàn)出更強的抓力、更好的體能以及記憶能力的改善。有意思的是，在另一項研究中，阿巴卡韋也可以延緩人神經(jīng)元以及老年小鼠腦組織的衰老和炎癥，進一步證實了靶向ERV干預(yù)衰老的有效性。
通過對ERV古病毒不同生命周期環(huán)節(jié)的解析，我們開發(fā)出可有效抑制ERV“復(fù)活”或清除病毒顆粒的干預(yù)策略，即通過發(fā)展靶向ERV調(diào)控元件的基因沉默體系、靶向逆轉(zhuǎn)錄酶的小分子抑制藥物、靶向病毒包膜蛋白的中和抗體等技術(shù)，成功阻斷了ERV的轉(zhuǎn)錄、反轉(zhuǎn)錄、病毒級聯(lián)感染等多個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了ERV古病毒的重新“封印”，并阻斷了衰老的進程。
這一研究成果已發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上。有評論認(rèn)為，“該研究為衰老的潛在機制提供了新的見解，并表明ERV的激活可能是衰老的驅(qū)動力，使用ERV作為預(yù)測生物年齡和確定治療靶點的潛在生物標(biāo)志物，可以提高我們對衰老的理解，并推動開發(fā)新的干預(yù)措施來促進健康衰老”。
應(yīng)該說，我們的研究首次系統(tǒng)性揭示了衰老誘導(dǎo)的內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒復(fù)活可以作為細(xì)胞、組織、器官乃至機體衰老的驅(qū)動力及度量標(biāo)志物。在理論方面，該研究創(chuàng)造性地將ERV古病毒的“復(fù)活”和“傳染”，確證為新的衰老時鐘和驅(qū)動因素，提出了新的衰老的程序化、跨細(xì)胞傳遞及可干預(yù)性。在技術(shù)方面，該研究綜合運用多維表觀基因組、轉(zhuǎn)錄靶向操控、單分子成像、病毒學(xué)、免疫學(xué)、化學(xué)生物學(xué)和分子病理學(xué)等多學(xué)科前沿交叉技術(shù)，動態(tài)捕獲了ERV古病毒的復(fù)活、包裝、跨細(xì)胞傳遞、激活天然免疫通路等生物學(xué)過程，成功刻畫了ERV在衰老過程中的完整生命周期軌跡，開創(chuàng)了新的衰老研究范式。在轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)方面，該研究以ERV古病毒復(fù)活鏈條的不同環(huán)節(jié)為靶標(biāo)，發(fā)展出多樣化的衰老干預(yù)技術(shù)，包括遺傳調(diào)控、小分子藥物、中和抗體等，為衰老相關(guān)疾病（如骨關(guān)節(jié)炎等）的防治提供了新的策略，為衰老相關(guān)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了潛在路徑。
當(dāng)然，衰老是一個綜合性的過程，我們的研究僅僅揭示了衰老機制的一個側(cè)面。接下來，我們希望應(yīng)用更多手段，不斷揭開衰老的機制和奧秘，幫助人類最終理解衰老、戰(zhàn)勝衰老以及衰老帶來的多種慢性疾??！
?。ㄗ髡撸何錆擅?，劉曉倩，曲靜，分別系中國科學(xué)院動物研究所特別研究助理，助理研究員，研究員）
責(zé)任編輯：邢敏
