衰老与细胞与组织中发生的广泛的生理病理变化紧密相关。这些变化包括慢性炎症的发生，以及代谢平衡水平的下降等。人们希望发展一些手段来阻止这些变化，减轻炎症，重建代谢平衡，并延缓衰老导致的疾病的发生。利用转录因子进行细胞重编程，重建表观遗传标记并除去细胞损伤，让衰老细胞焕发生机，成为一项颇有前景的治疗手段。
在一项新的研究中，来自美国沙克生物研究所和 Genentech 公司的研究人员证实他们可以通过将中老年小鼠的细胞部分地重置到更年轻的状态，安全有效地逆转它们的衰老过程。相关研究结果于 2022 年 3 月 7 日在线发表在Nature Aging期刊上，论文标题为 “In vivo partial reprogramming alters age-associated molecular changes during physiological aging in mice”。
Doi: 10.1038/s43587-022-00183-2
2006 年，山中伸弥（Shinya Yamanaka）等报道了 OSKM（Oct4, Sox2, Klf4 与 c-Myc）因子介导的细胞重编程，可以将成熟分化细胞转化为多能干细胞。这一现象成为了该治疗手段得以发展的基础。在体外，OSKM 因子成功诱导了从年长者或早衰症（Hutchinson–Gilford progeria syndrome）患者中提取出的细胞的重编程。然而在小鼠体内表达 OSKM 因子却有可能导致畸胎瘤（teratoma）发生甚至小鼠死亡。为了避免这一后果，研究者设计了一套新的表达系统，从而可以可控地诱导 OKSM 因子进行周期性的表达。
研究者发现，在这样的条件下，仍然可以观察到细胞内关于衰老的指标的下降。研究者称之为细胞的部分重编程。同时，在小鼠的体内实验表明部分重编程可以延长小鼠寿命，减少皮肤纤维化和疤痕生成，减缓海马体衰老表征以及促进创伤后神经元轴突再生。
然而，此前的研究主要利用了基因突变诱导的早衰症小鼠模型。该基因突变（位于 LMNA 基因的点突变）是否会对 OSKM 诱导的表型有额外的影响还不得而知。为了说明细胞部分重编程对延缓衰老有确实的作用，本文研究者采用了自然衰老小鼠模型来评估 OSKM 因子诱导的系统性影响。
本文研究者设定了两组经受长期部分重编程的小鼠，第一组从第 15 个月开始，维持 7 个月；第二组从第 12 个月开始，维持 10 个月。另有一组小鼠，接受短期部分重编程处理，即在第 25 个月时开始，维持 1 个月。在部分重编程处理过程中，小鼠每周有 2 天接受含多西环素（doxycycline）的水的喂食，另 5 天则不接受多西环素，以此循环。同时，研究者设定了不同的对照组，包括不接受多西环素处理的小鼠，以及不包含由多西环素控制表达的 OSKM 因子的基因组件的小鼠等。
不同的小鼠组别
研究者首先确定了多西环素诱导的 OSKM 表达不会对小鼠的健康产生影响。研究者发现在实验组与对照组中，小鼠的体重与存活率没有明显差异。在实验终点进行全血分析，实验组与对照组在白细胞计数，红细胞计数以及血红蛋白水平上没有显著差异。在小鼠各器官中未观察到明显的病理学表征。行为学实验也表明多西环素诱导的 OSKM 表达对小鼠神经功能不造成负面影响。
长期部分重编程小鼠与短期部分重编程小鼠的表观遗传学时钟分析
为了衡量器官水平的衰老，研究者引入了 “表观遗传学时钟”（epigenetic clock）分析。使用 LUC（Lifespan Uber Correlation）表观遗传学时钟分析了不同组别小鼠的不同器官（脾，肝，皮肤，肾，肺和骨骼肌），发现在长期部分重编程小鼠中，其肾与皮肤的细胞的表观遗传学年龄，与对照组相比显著降低了。而在短期部分重编程小鼠各器官中，却未观察到由 OSKM 诱导的表观遗传学年龄降低的现象。
转录组学分析（transcriptome analysis）表明，年轻小鼠（3 个月）与衰老小鼠（25 个月）之间存在显著差异。短期部分重编程小鼠（25 个月 + 1 个月多西环素诱导）与对照组小鼠之间却没有太多差异（25 个月 + 1 个月无处理）。而长期部分重编程小鼠（15 个月 + 7 个月多西环素诱导）的转录组与对照组相比（15 个月 + 7 个月无处理）差异较为显著。特别是在皮肤组织中，进一步的分析说明这些差异主要集中于代谢、氧化磷酸化以及炎症反应与细胞老化相关基因的表达上，从而表现出一种年轻化的特征。这与表观遗传学时钟分析的结果是吻合的。
转录组分析：长期部分重编程小鼠（15 个月 + 7 个月多西环素诱导）vs 对照组
研究者希望进一步确定在皮肤中 OSKM 诱导是否带来了生理病理条件下的年轻化效果。在伤口愈合（wound healing）实验中，上皮细胞的分裂速度在长期部分重编程小鼠中显著提高了，同时，伤口部位的纤维化水平则降低了。长期部分重编程小鼠在该实验中表现出了与年轻小鼠较为相似的特征。
在代谢组与脂质组分析（metabolomic and lipidomic profiles）中，长期部分重编程小鼠（12 个月 + 10 个月多西环素诱导）中，某些一碳代谢物（如 S-adenosyl methionine, 1-methylguanine, 1-methyladenosine 等）和非极性代谢物（如 triacylglycerides 以及 phospholipids）的随年龄变化的趋势得到了逆转。而该现象在长期部分重编程的中期阶段（12 个月 + 5 个月多西环素诱导）则未有明显体现。
研究者总结道，相比于短期部分重编程，由 OSKM 因子介导的长期部分重编程才是真正能起到抗衰老、年轻化效果的治疗手段。然而，为何在全身诱导 OSKM 却只能在部分器官中得到响应，以及从 DNA 甲基化水平的逆转如何传递到代谢组水平的变化，最后得到年轻化效果，还有待于进一步研究。
有趣的是，研究者还指出，对 OSKM 因子的响应具有性别差异。在本研究中发现，雌性小鼠的皮肤组织中 OSKM 介导的年轻化效应比在雄性小鼠中的更明显。对该现象的进一步解释有助于人们开发新一代的延缓衰老以及年轻化的治疗方法。
参考文献：
1.Takahashi, K. & Yamanaka, S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell 126, 663–676 (2006).
2.Ocampo, A. et al. In vivo amelioration of age-associated hallmarks by partial reprogramming. Cell 167, 1719–1733.e12 (2016).
3.Horvath, S. & Raj, K. DNA methylation-based biomarkers and the epigenetic clock theory of ageing. Nat. Rev. Genet. 19, 371–384 (2018).
4.Browder, K.C. et al. In vivo partial reprogramming alters age-associated molecular changes during physiological aging in mice. Nat Aging (2022).
