Science：科学家揭示人类干细胞衰老机理
2015-05-04 佚名 生物物理研究所
4月30日，Science杂志在线发表了中国科学院生物物理研究所刘光慧实验室、北京大学汤富酬实验室以及Salk研究所Juan Carlos Izpisua Belmonte实验室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
4月30日，Science杂志在线发表了中国科学院生物物理研究所刘光慧实验室、北京大学汤富酬实验室以及Salk研究所Juan Carlos Izpisua Belmonte实验室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。
目前世界各国均面临着严重的人口老龄化，2050年约三分之一的中国人口年龄将超过60岁。衰老是人类疾病最大的危险因子，针对衰老的基础和转化医学研究正成为全人类共同关注且亟需解决的重大科学问题。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。
研究人员首先提出“组织干细胞的加速衰老（耗竭）可能是人类早衰症的病因”这一科学假设，并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著的结构退行性变化，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。
人们普遍认为，衰老可能源于细胞内不断聚集的DNA损伤（基因组不稳定性）。作为支持该理论的重要依据之一：DNA损伤修复蛋白WRN的突变会导致人类成年早衰症。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。
Allen细胞科学研究所负责人Rick Horwitz教授评价此项研究为“综合运用基因组学技术、人类干细胞技术和新型基因编辑技术揭示人类疾病（衰老）机理的完美范例”。华盛顿邮报（The Washington Post）表示该工作“已激起一些企业家在研制抗衰老药物（anti-aging pills）或其它良方（magic bullets for aging）方面的极大热情”。迄今，刘光慧团队已先后利用干细胞技术发展了儿童早衰症（Nature 2011; Cell Stem Cell 2011）、帕金森氏症（Nature 2012）、镰刀形细胞贫血症（Cell Stem Cell 2014）、范可尼贫血症（Nat Commun 2014）以及成年早衰症（Science 2015）等一系列人类衰老性疾病和罕见病的精准医学研究平台。
此项工作由中科院生物物理研究所、北京大学、中科院动物研究所、解放军306医院、深圳大学以及Salk研究所等科研机构合作完成。中科院生物物理所研究员刘光慧、北京大学研究员汤富酬以及Salk研究所教授Juan Carlos Izpisua Belmonte为该论文的共同通讯作者。中科院生物物理所助理研究员张维绮、北京大学博士研究生李静宜、Salk研究所博士后Keiichiro Suzuki以及中科院动物所研究员曲静为该论文的并列第一作者。此项研究受到国家自然科学基金委、科技部“973”计划以及中科院干细胞与再生医学战略先导专项的资助。
原始出处：
Weiqi Zhang1,*, Jingyi Li2,*, Keiichiro Suzuki et al.A Werner syndrome stem cell model unveils heterochromatin alterations as a driver of human aging.Science, April 30, 2015.DOI: 10.1126/science.aaa1356
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