衰老过程导致器官功能退化，丧失再生修复的能力。一个可能的原因是细胞表观遗传信息的丢失，例如DNA甲基化被扰乱，导致基因无法被正确地读取和翻译。衰老的细胞是否还能恢复年轻的表观遗传信息，进而恢复器官功能和再生能力？
12月3日，哈佛大学医学院David Sinclair团队的吕垣澄博士（一作）与何志刚及Bruce Ksander等团队合作在Nature上发表了题为Reprogramming to recover youthful epigenetic information and restore vision的封面文章。该研究利用基因治疗诱导神经节细胞重编程，恢复年轻的表观遗传信息，从而使得视神经能在损伤后再生，并逆转青光眼和衰老造成的视力下降。
克服重编程技术的体内应用瓶颈
日本科学家山中伸弥团队发现通过Oct4, Sox2, Klf4 和 c-Myc 四个转录因子，可以诱导成年细胞在体外重编程，转化为诱导性多能干细胞也就是iPS细胞（induced pluripotent stem cells），开启了干细胞领域的新篇章。山中伸弥也因此获得了诺贝尔生理学或医学奖。
但是这一改变细胞身份的重编程过程一旦应用到体内，就会诱发畸胎瘤。国际上多个团队都没能找到在体内安全控制重编程（in vivo reprogramming）的方法。
吕垣澄博士通过大量的摸索，发现四个因子中的c-Myc是造成畸胎瘤的主要原因，而只使用Oct4, Sox2, Klf4（OSK）这三个转录因子，不但仍可以恢复细胞年轻的信息，还能巧妙规避造成畸胎瘤的可能。通过腺相关病毒载体递送这三个基因到肝脏或视网膜后，研究小组进行了长达一年半的观察，确实没有发现任何安全隐患。
图一：视网膜铺片上的神经节细胞（蓝色）及过表达OSK的神经节细胞核（绿色）。
重编程表观遗传信息再生视神经
中枢神经系统是机体最先衰老的器官。出生后几天，中枢神经系统，包括脊髓和视神经，就快速丧失了损伤后再生的能力。因此，类似的损伤会造成成年哺乳动物的截瘫或失明。
吕垣澄通过与脊髓损伤神经再生领域的专家，波士顿儿童医院何志刚教授的团队合作，对OSK诱导的重编程能否逆转视神经节细胞的年龄和恢复神经再生的能力进行了测试。结果显示，视神经损伤后诱导重编程，不仅能成倍提高成年小鼠视神经细胞存活的概率，而且可将视神经再生的能力提高五倍以上。类似的效果在年老小鼠中也能达到，这在之前的研究中从未实现过。
图二：年老小鼠的视神经损伤后（蓝色处），神经轴突于损伤处断裂并退化，正常状况下无法再生（上图），而被OSK表达逆转了年龄的视神经节细胞则能够重新再生轴突（下图）。
对视神经节细胞的DNA甲基化分析，揭示了神经损伤事实上加速了表观遗传水平的衰老。而OSK诱导的重编程则能通过DNA去甲基化酶Tet1/Tet2，逆转损伤对DNA甲基化的影响。
此外，研究团队中的田骁对人类神经细胞进行了体外测试，发现OSK重编程同样能够逆转化疗药物对神经细胞的伤害，诱导人类神经细胞突触的再生。
基因治疗恢复青光眼和衰老造成的视力下降
青光眼是一类由于视神经受损而造成视力丧失的眼疾，为全球第一位的不可逆致盲性眼病。通过与麻省眼耳医院的Bruce Ksander教授夫妇合作，吕垣澄等接着对重编程治疗能否应用于青光眼疾病进行了探索。令人激动的是，在青光眼的小鼠模型中，重编程基因治疗不仅提高了受损神经细胞的电信号水平，而且在视动反应中，受过治疗的青光眼小鼠也部分恢复了受损的视力。
图三：经过OSK表达治疗的青光眼与治疗前相比（灰色线），视神经细胞的电信号水平得到恢复（蓝色线）。
对视力恢复的疗效也在年老的小鼠中得到体现。通过比较神经节细胞的转录组与DNA甲基化水平，OSK诱导的重编程恢复了年轻化的表观遗传信息，下调了会诱发眼疾的基因水平，而上调了感知相关的基因水平。这一过程同样需要DNA去甲基化酶Tet1/Tet2的参与。
图四：衰老的视神经节细胞在经过OSK基因治疗后，衰老相关基因的转录被恢复到年轻的水平。
这些研究结果证实了David Sinclair团队长期以来的假说，即细胞表观遗传信息的丢失是造成细胞衰老的主要原因。
这一技术突破也从概念上证明了，通过安全可控的体内重编程，衰老或受损的细胞能够恢复其年轻的表观遗传信息与功能。该崭新的策略将对促进人类器官的损伤修复，以及逆转青光眼等衰老相关疾病的治疗领域带来变革。
David Sinclair （左）与吕垣澄（右）
本文通讯作者为David Sinclair, 哈佛医学院终身教授，全球抗衰老研究的领军人物，美国时代杂志"全球最具影响力的100人", 纽约时报畅销书《可不可以不变老》作者。课题组抗衰老研究成果发表论文300余篇，其中Nature, Science, Cell主刊20余篇。
本文第一作者为吕垣澄(Yuancheng Lu)，哈佛大学博士，复旦大学学士。研究成果发表于Nature，Cell等杂志。
本文资深作者之一何志刚，为哈佛医学院及附属波士顿儿童医院终身教授，长期致力于研发中枢神经系统损伤后的再生与修复手段，是领域内首次实现视神经轴突再生工作的奠基人。课题组相关研究工作大量发表在Nature，Cell，Science，Neuron等杂志上。
值得一提的是，同期Nature上，斯坦福大学医学院Andrew D. Huberman发表了News&Views文章Sight restored by turning back the epigenetic clock对该文进行了推介，提到该发现不仅在视觉领域，还在大脑神经元等研究领域激发了人们对表观重编程的极大兴趣，同时该工作也宣告了“修复衰老或受损大脑”时代的来临。
原文链接：
/articles/s41586-020-2975-4
