逆转生物钟可恢复旧小鼠的视力
概念验证研究代表了通过表观遗传重编程逆转动物衰老时钟的首次成功尝试。
哈佛医学院的科学家们通过倒转视网膜上老化的眼细胞的时钟以重新捕捉年轻的基因功能，成功地恢复了小鼠的视力。
该小组的工作今天（2020年12月2日）在《自然》杂志上进行了描述，这是第一个证明，它可以安全地将复杂的组织（例如眼神经细胞）重编程到更早的年龄。
除了重置细胞的衰老时钟外，研究人员还成功地逆转了动物的视力丧失，这种疾病的模仿人类青光眼是导致全球失明的主要原因。
研究小组说，这项成就是成功扭转青光眼引起的视力丧失的首次成功尝试，而不仅仅是阻止其进展。如果通过进一步的研究加以复制，该方法将为疗法促进各种器官的组织修复以及逆转人类衰老和与年龄相关的疾病铺平道路。
“我们的研究表明，可以安全地逆转视网膜等复杂组织的年龄并恢复其年轻的生物学功能，”哈佛大学医学院布拉瓦特尼克研究所遗传学教授，大卫·辛克莱尔（David Sinclair）说。 HMS衰老生物学生物学中心的Paul F. Glenn和衰老专家。
Sinclair及其同事警告说，在进行任何人类实验之前，这一发现仍有待进一步研究（包括在不同的动物模型中）重复使用。他们补充说，尽管如此，研究结果提供了概念证明，为设计一系列与年龄有关的人类疾病的疗法提供了途径。
辛克莱尔说：“如果通过进一步的研究予以肯定，这些发现将对与青光眼等与年龄有关的视力疾病的护理以及整个疾病的生物学和药物治疗领域带来变革。”
对于他们的工作，研究小组使用腺相关病毒（AAV）作为载体将三个恢复青春的基因– Oct4，Sox2和Klf4 –传递至小鼠的视网膜，这些基因通常在胚胎发育过程中打开。这三个基因，连同第四个基因（未在这项工作中使用）一起被称为山中因子。
该治疗对眼睛有多种有益作用。首先，它促进了视神经损伤小鼠视神经损伤后的神经再生。其次，它逆转了具有模仿人类青光眼状况的动物的视力丧失。第三，它可以逆转没有青光眼的衰老动物的视力丧失。
团队采用的方法基于有关我们年龄增长的新理论。人体中的大多数细胞都包含相同的DNA分子，但功能却多种多样。为了达到这种专业化程度，这些细胞必须仅读取其类型特异性的基因。这种调节功能是表观基因组的职责范围，表观基因组是一种以特定模式打开和关闭基因而不会改变基因的基本DNA序列的系统。
该理论假设表观基因组随时间的变化会导致细胞读取错误的基因并引起机能障碍，从而导致衰老。对表观基因组最重要的变化之一是DNA甲基化，这是一个将甲基固定在DNA上的过程。 DNA甲基化的模式是在胚胎发育过程中产生的，以产生各种细胞类型。随着时间的流逝，DNA甲基化的年轻模式消失了，应打开的细胞内基因被关闭，反之亦然，从而导致细胞功能受损。这些DNA甲基化变化中的某些变化是可以预测的，并已用于确定细胞或组织的生物学年龄。
但是，DNA甲基化是否能驱动细胞内与年龄相关的变化，目前尚不清楚。在当前的研究中，研究人员假设，如果DNA甲基化确实控制了衰老，那么擦除其一些足迹可能会逆转活生物体内细胞的衰老，并使它们恢复到更早的年轻状态。
过去的工作已经在实验室培养皿中的细胞中实现了这一壮举，但未能证明对活生物体的作用。
主要研究作者，HMS遗传学研究员，辛克莱实验室的前博士研究生卢元成（音译）开发了一种可以安全逆转活体动物细胞年龄的基因疗法。
Lu的工作建立在获得诺贝尔奖的山中伸弥（Shinya Yamanaka）的发现基础上，他发现了四个转录因子Oct4，Sox2，Klf4和c-Myc，它们可以清除细胞上的表观遗传学标记并使这些细胞恢复到其原始胚胎状态，从中可以发育成任何其他类型的细胞。
然而，随后的研究显示了两个重要的挫折。首先，当在成年小鼠中使用时，四种山中因子也可能诱导肿瘤生长，使方法不安全。其次，这些因素可能会将细胞状态重置为最原始的细胞状态，从而完全擦除细胞的身份。
Lu和同事通过稍微修改方法来绕开了这些障碍。他们删除了基因c-Myc，只提供了剩下的三个山中基因，Oct4，Sox2和Klf4。改进的方法成功地逆转了细胞衰老，而没有加剧肿瘤的生长或失去其特性。
在当前的研究中，研究人员针对中枢神经系统中的细胞，因为它是受衰老影响的身体的第一部分。出生后，中枢神经系统的再生能力迅速下降。
为了测试是否可以将成年小鼠的再生能力赋予成年小鼠，研究人员通过AAV将修饰的三基因组合传递到了视神经损伤成年小鼠的视网膜神经节细胞中。
对于这项工作，Lu和Sinclair与波士顿儿童医院HMS神经学和眼科教授Hzhigang He进行了合作，他研究视神经和脊髓神经再生。
该治疗导致受伤后存活的视网膜神经节细胞数量增加了两倍，而神经再生长增加了五倍。
卢说：“在项目开始之初，我们的许多同事说我们的方法将失败或太危险而无法使用。” “我们的结果表明，这种方法是安全的，并且有可能彻底改变对眼睛和其他受衰老影响的器官的治疗方法。”
在发现视神经损伤小鼠令人鼓舞的发现后，研究小组与马萨诸塞州Schepens眼科学研究所的眼睛和耳朵的同事Bruce Ksander（HMS眼科学副教授）和Meredith Gregory-Ksander（HMS眼科学助理教授）合作。他们计划了两组实验：一组用于测试三基因鸡尾酒是否可以恢复由于青光眼引起的视力丧失，另一组则用于研究该方法是否可以逆转正常衰老引起的视力丧失。
在动物的青光眼模型中，这种治疗导致神经细胞电活动增强，视敏度显着提高，这是通过动物在屏幕上看到垂直运动的能力来衡量的。值得注意的是，它是在青光眼引起的视力丧失已经发生之后才这样做的。
坎德尔说：“科学家很少能证明受伤发生后如何恢复视觉功能。” “这种新方法可成功逆转小鼠视力丧失的多种原因，而无需进行视网膜移植，这代表了再生医学的一种新治疗方式。”
对于正常衰老导致视力下降的老年12个月大小鼠，治疗效果相似。在对老年小鼠进行治疗后，视神经细胞的基因表达模式和电信号与年轻小鼠相似，并且恢复了视力。当研究人员分析处理过的细胞中的分子变化时，他们发现了DNA甲基化的反向模式-一项观察结果表明，DNA甲基化不仅仅是衰老过程中的标志或旁观者，而是驱动它的活性剂。
辛克莱尔说：“这告诉我们时钟不仅代表时间，还代表时间。” “如果您将时针倒回，时间也会倒退。”
研究人员说，如果他们的发现在进一步的动物实验中得到证实，他们将在两年内启动临床试验，以测试该方法对青光眼患者的疗效。研究人员说，到目前为止，这一发现令人鼓舞。在当前的研究中，用三基因方法对小鼠进行为期一年的全身治疗没有显示出任何副作用。
该论文的其他作者包括Benedikt Brommer，Xiao Tian，Anitha Krishnan，Margarita Meer，Chen Wang，Daniel Vera，Zenguii Zeng，Doudou Yu，Michael Bonkowski，Jae-Hyun Yang，Songlin Zhou，Emma Hoffmann，Margarete Karg，Michael Schultz，爱丽丝·凯恩（Alice Kane），诺亚·戴维森（Noah Davidsohn），叶卡捷琳娜·科罗布基纳（Ekaterina Korobkina），卡罗琳娜·科瓦莱克（Karolina Chwalek），路易斯·拉杰曼（Luis Rajman），乔治·丘奇（George Church），康拉德·霍切德林格（Konrad Hochedlinger），瓦迪姆·格拉迪雪夫（Steve Horvath）和摩根·莱文（Morgan Levine）。
这项工作得到了哈佛医学院表观遗传学种子资助和发展资助，格伦医学研究基金会，爱德华·舒拉克，美国国立卫生研究院的部分支持（赠款R01AG019719，R37AG028730，R01EY026939，R01EY021526，R01AG067782，R01GM065204，R01AG065403，R01EY025794 ，R24EY028767和R21EY030276）以及圣文森特·德保罗基金会。
相关披露：David Sinclair是Iduna Therapeutics的顾问，授权专利的发明者，董事会成员和所有者，Life Biosciences公司开发表观遗传重编程疗法，并且是表观遗传工具公司Zymo Research的无偿顾问。袁远路，路易斯·拉杰曼和史蒂夫·霍瓦斯是Iduna Therapeutics的股权所有者。 George Church和Noah Davidsohn是Rejuvenate Bio的共同创始人。