“見說嵩陽有仙客，欲持金簡問長生。”長生不老，是人們從古至今的追求與期待，最直接的方法是保持健康、延緩衰老。衰老是一個目前無法終止、緩慢而復雜的過程，往往伴隨著身體機能下降以及各類疾病的發生。研究衰老的生物學機制成為了眾多科學家關注的重點。
美國加州大學圣地亞哥分校郝楠教授團隊題為“Engineering longevity—design of a synthetic gene oscillator to slow cellular aging”的工作于2023年4月27日發表于權威期刊Science。實驗人員以酵母菌作為研究對象，利用合成生物學技術設計基因振蕩器成功將酵母細胞壽命延長82％。
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?該文章報道封面。圖片來源：Science期刊官網
早在2020年郝楠教授團隊就找到了與酵母細胞死亡相關的兩種衰老模式，分別由賴氨酸脫乙酰酶Sir2蛋白和血紅素激活蛋白（heme activator protein，HAP）介導。“衰老模式1”中，維持基因組位點穩定性和核仁穩定的Sir2失活，導致核糖體DNA（rDNA）無法繼續維持沉默，核仁擴大、碎裂，細胞死亡前產生細長子細胞；“衰老模式2”中，HAP失活導致血紅素含量顯著下降，線粒體功能衰退，細胞死亡前產生圓形子細胞。
?圖注：Sir2和HAP介導同源酵母細胞的差異性衰老。圖片來源：Yang Li, et al./ Science 2020
有趣的是，在酵母細胞功能衰退走向死亡的關鍵節點，衰老并非兩種模式共同累計導致的結果，酵母細胞僅僅“選擇”其中一條衰老通路運行直至生命消逝。即便是生活在相同環境中具有相同遺傳物質的酵母細胞也會沿兩種模式逐漸衰老。約一半的細胞衰老是由于rDNA的穩定性逐漸下降，而另一部分細胞則因線粒體功能損傷、衰退而衰老。
為進一步了解兩種衰老模式的特點及關聯，研究人員人為干預Sir2和合成HAP的主要成分HAP4在酵母細胞中的表達。特異性敲除Sir2后，HAP活性顯著增加，血紅素豐度上升；特異性敲除HAP4后，rDNA沉默增加，核仁構象穩定。HAP4過度表達時，大部分細胞Sir2失活，rDNA沉默減少，呈現“衰老模式1”；Sir2過度表達時，血紅素含量降低，呈現“衰老模式2”的細胞比例增加，不過Sir2過表達時還出現了第三種衰老模式，即同時保持高rDNA沉默和高血紅素豐度，這種細胞的壽命也更長。
?圖注：計算模型揭示了Sir2-HAP回路的多重穩定性，這使設計新的衰老模式成為可能。圖片來源：Yang Li, et al./ Science 2020
這一新發現讓研究人員思考是否能夠通過基因編輯或化學干預等方法影響Sir2和HAP4兩種蛋白表達，進而重新編程細胞衰老方式，延緩酵母細胞衰老。他們決定從基因層面改寫衰老回路。為了節省時間和資源，郝楠教授團隊通過計算機進行了酵母細胞衰老生物機制的模擬實驗，測試實驗設計，構建、修改酵母細胞中基因回路。
?圖注：構建合成基因振蕩器以重新編寫酵母細胞衰老過程。圖片來源：Zhen Zhou, et al./ Science 2023
為了使HAP對Sir2進行強有力的正向轉錄調控，團隊使用細胞色素C1（CYC1）啟動子取代了SIR2本地啟動子，該啟動子被HAP結合并激活。在刪除了酵母細胞內源HAP4拷貝后，團隊設計了由磷酸三酯脫氫酶啟動子（TDH3）介導的HAP4基因高轉錄表達的構建體，同時在受Sir2調控沉默的rDNA的非轉錄間隔區（NTS）亦有HAP4結構整合插入。上述即為電路整合的全部內容，二者構成負反饋回路來阻止衰老過程，即HAP升高的同時激活Sir2表達，而高濃度的Sir2會反過來抑制HAP，Sir2水平下降后rDNA不再繼續沉默，表達HAP4，依次循環往復。
?圖注：對照組細胞和合成組細胞衰老進程的動態變化對比。圖片來源：Zhen Zhou, et al./ Science 2023
編輯后的酵母細胞內高水平的Sir2和HAP來回切換，像時鐘的鐘擺一樣有節律地擺動，故而研究人員將其稱為“基因振蕩器”。這一“基因振蕩器”驅使細胞周期性地在兩種不同的“衰老”狀態之間切換，避免長時間在一個衰老過程中發展下去，從而減緩細胞的退化。
?圖注：基因振蕩器維持rDNA沉默和血紅素生成之間的動態平衡。圖片來源：Zhen Zhou, et al./ Science 2023
團隊通過微流控技術和延時顯微鏡來追蹤酵母細胞生命周期中的衰老過程，實驗結果顯示，與正常衰老的對照組酵母細胞相比，加設了“基因振蕩器”的酵母細胞的壽命增加了82%，這一成果也創造了通過遺傳和化學干預延長壽命的新紀錄。
郝楠教授團隊并未將衰老當做一個靜態可以被徹底終結的過程，不同于以往簡單敲除或過表達衰老相關基因的實驗，他們設定的“基因震蕩器”有效減緩了酵母細胞衰老的進展，顯著增長了細胞壽命。細胞不同于電路板，由軟物質構成，具有內在的變異和進化能力，即使沒有外部刺激也能發生變異。
這項工作的發布，不僅標志著在衰老機制上科學家們又跨出了關鍵一步，同時也為使用合成生物學技術延長復雜生物壽命奠定了基礎，正如Science的高級編輯L. Bryan Ray博士說的那樣：“酵母細胞有一個轉錄切換開關，導致它們以兩種命運中的一種死亡：一種是通過細胞核衰退導致死亡，另一種是通過線粒體衰亡。通過將這種轉錄開關重新連接成一個負反饋回路，Zhou等人能夠使酵母細胞在這兩種狀態之間擺動，并將其壽命延長82%。這些結果代表著向使用工程原則設計控制復雜生物性狀的合成基因回路邁進了一步。”
參考文獻：
[1]Zhou, Z., Liu, Y., Feng, Y., Klepin, S., Tsimring, L. S., Pillus, L., Hasty, J., & Hao, N. (2023). Engineering longevity-design of a synthetic gene oscillator to slow cellular aging. Science (New York, N.Y.), 380(6643), 376–381.[2]Li, Y., Jiang, Y., Paxman, J., O"Laughlin, R., Klepin, S., Zhu, Y., Pillus, L., Tsimring, L. S., Hasty, J., & Hao, N. (2020). A programmable fate decision landscape underlies single-cell aging in yeast. Science (New York, N.Y.), 369(6501), 325–329.
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