2020-07-24 17:46 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
以下文章來源於BioArt ，作者BioArt
BioArt
高屋建瓴，提供專家點評，引導學術爭論，展現學術批評；誠心實意，關注科研生態，推廣科研經驗，倡導師生交流。
關注我們，
獲取更多CSCB2020相關資訊
人體的衰老源自於細胞層面功能的退化和衰老，並伴隨著生理功能的逐漸喪失。了解細胞功能退化和衰老的調控機制將有助於我們找到延緩人體衰老的方法。越來越多的研究表明基因組的不穩定，線粒體的功能障礙等損傷因素導致了細胞衰老與死亡。然而，在單個細胞的衰老過程中，各種損傷因素是如何推動細胞衰老以及這些損傷因素之間的相互作用仍然有待探索。
在眾多用於研究衰老的模型中，釀酒酵母因其生命周期短，易於基因編輯和高度保守性等優勢而被廣泛採用和認可。迄今為止很多從釀酒酵母中發現的衰老機制都在其他高等模式生物中得到了很好的驗證。和幹細胞衰老類似，酵母的衰老通常以分裂和產生子細胞的代數來衡量。
2020年7月17日，加州大學聖地牙哥分校郝楠團隊（第一作者為李楊博士）在Science雜誌上發表文章A programmable fate decision landscape underlies single-cell aging in yeast，結合了最新開發的微流控和延時顯微鏡技術，全面的記錄了細胞從出生到衰老過程中細胞形態、基因表達、細胞器狀態等不同層面的動態軌跡。
研究人員發現擁有同樣基因組序列並處於同樣環境中的新生野生型細胞展現出了相似的細胞形態，基因表達和細胞器狀態。然而隨著衰老的進行，這些起點相似的細胞展現出了截然不同的表型變化。在細胞生命的後期，有近一半的細胞會持續產生長橢圓形子細胞，稱之為「模式1」衰老；有另外一半的細胞會持續產生小的圓形子細胞並且伴隨著細胞分裂周期的異常增長，稱之為「模式2」衰老。通過進一步研究，發現核仁的增大和破碎常出現於模式1衰老的細胞中，而並非模式2衰老的細胞。相反，線粒體的異常聚集常出現於模式2衰老的細胞中，但在模式1細胞中線粒體一直保持良好的管狀形態。因此模式1衰老通常伴隨著核仁的增大和碎裂，而模式2衰老則伴隨著線粒體的異常聚集。
核仁和線粒體的功能退化是很多生物衰老的標誌之一。眾多研究表明，由賴氨酸脫乙醯化酶（Sir2）介導的核糖體DNA (rDNA) 沉默維持著rDNA的穩定性進而影響核仁的形態。另外細胞體內血紅素的水平直接決定了線粒體的功能狀態。為了追溯導致不同衰老模式的上遊分子機制，研究人員構建了螢光蛋白探針來觀察同一單個細胞內衰老過程中rDNA的沉默狀態和血紅素的水平變化。為了觀察rDNA的沉默，研究人員將一個由持續活性啟動子表達的綠色螢光蛋白（GFP）探針基因插入rDNA上的非轉錄區域（rDNA-GFP）。Sir2 介導的染色質沉默會抑制探針基因的表達，從而降低綠色螢光強度。當Sir2活性降低，rDNA區域沉默減弱，從而導致綠色螢光增強。為了觀察血紅素的水平，研究人員構建了一個基於近紅外螢光蛋白 （iRFP）的探針。近紅外螢光蛋白的亮度取決於血紅素代謝的產物，我們發現血紅素水平越高，近紅外螢光蛋白會越亮。研究人員發現，通過模式1死亡的細胞在生命後期伴隨著rDNA沉默的喪失和血紅素水平的上升，對應著模式1衰老細胞中核仁形態異常。相反，模式2死亡的細胞擁有良好的rDNA沉默，但細胞血紅素水平急劇降低，對應著模式2衰老細胞中線粒體的異常聚集。
通過進一步的試驗，研究人員驗證了單細胞衰老模式的命運抉擇是由Sir2和血紅素調控因子組成的核心網絡所控制。當在細胞中兩倍表達Sir2 的時候，整體細胞的壽命提升有限，但有一小部分非常長壽的細胞展現出第三種衰老模式，在整個衰老過程中保持rDNA的沉默和血紅素水平的穩定。另外，和其他兩種衰老模式不一樣，「模式3」保持著非常穩定的細胞周期，表明其在衰老過程中一直保持相對健康的生理狀態。因此，有效的誘導細胞進入模式3衰老途徑有可能延長整個細胞群體的壽命，並且提升細胞在衰老過程中的健康狀態。
為了進一步理解單細胞衰老不同模式的選擇和新的衰老模式的產生，研究人員構建了一個基於微分方程的數學模型。這個模型準確的描述了實驗觀察到的單細胞衰老過程和模式選擇，並且從動態系統的角度解釋了為什麼提高Sir2的表達能夠導致一個對應於長壽的模式3的新穩態的產生。更重要的，這個模型能夠指導我們對由 Sir2和血紅素調控因子組成的核心網絡進行重新編程，並幫助我們預測重編程會怎樣改變細胞衰老過程和模式選擇。基於模型的計算機模擬顯示，單獨調控Sir2或者血紅素調控因子會使大部分細胞偏向於模式1或模式2種衰老模式中的一個，對改變整個細胞群體的壽命作用有限。為了讓更多的細胞進入長壽模式3，需要定量的同時提高Sir2和血紅素調控因子的表達。研究人員通過基因編輯的方法在細胞中同時提高了Sir2 和血紅素調控因子的表達， 驗證了數學模型的預測。相對比於單獨調控Sir2或者血紅素調控因子，同時提高Sir2和血紅素調控因子的表達有效的促使大部分細胞選擇長壽的模式3，進而顯著的提高了整個細胞群體的平均壽命。
細胞衰老一直以來被認為是一個被動的損傷積累的過程。通過綜合運用最新的微流控，螢光探針，和單細胞延時成像技術，研究人員實現了對整個單細胞衰老過程的實時監控，發現衰老從單細胞的角度有可能是一個主動的、可調控的細胞命運選擇過程。單個細胞在生命的早期就需要對其衰老和死亡途徑進行抉擇，或是逐步喪失染色質穩定性，導致核仁結構異常和細胞死亡， 或是經歷細胞血紅素水平的降低，導致線粒體功能衰退，最終激活另一種死亡模式。研究人員進一步發現了控制這一細胞命運選擇的核心分子網絡，並基於此，構建了一個可以解釋和預測衰老過程的數學模型。在這個模型的指導下，研究人員用基因編輯的方法對衰老過程進行了重新編程，為細胞創造了一個全新的長壽的衰老途徑。後續的研究將集中在在高等生物以至人類細胞中驗證我們對單細胞衰老途徑的發現，並且進一步探索針對多個網絡位點進行化學幹擾的「雞尾酒療法」在延緩衰老中的應用。
最後，研究人員希望這一研究能夠讓更多的科學工作者認識到定量生物學的方法和思路對生命科學研究的促進作用，並推動這個多學科結合的新興方向的發展。
原文連結：
https://science.sciencemag.org/content/369/6501/325/tab-pdf
來源：BioArt
1980-2020
原標題：《【學術前沿】郝楠團隊在單細胞水平揭示衰老的細胞命運選擇過程》
閱讀原文
特別聲明
本文為澎湃號作者或機構在澎湃新聞上傳並發布，僅代表該作者或機構觀點，不代表澎湃新聞的觀點或立場，澎湃新聞僅提供信息發布平臺。申請澎湃號請用電腦訪問http://renzheng.thepaper.cn。