東晉著作《云笈七簽》有云：“日服千咽，不足為多，返老為童，漸從此矣！”“返老還童”，這個具有神奇色彩的成語，幾千年來，古今中外的許多君主帝王都為之癡迷，現(xiàn)代人也在不斷地追求永葆青春，控制衰老。
2019年，加州的科學家進行了一項小型研究，給數(shù)名老年男性服用生長激素和糖尿病藥物，一年后發(fā)現(xiàn)，這些藥物能使男性的胸腺和免疫功能恢復活力，還使生理年齡縮短了2.5歲[1,2]。這個結(jié)果不禁讓人聯(lián)想，如果找到合適的方法，使得衰老可以逆轉(zhuǎn)，“返老還童”豈不是可以成真！
隨著越來越多的科學家尋求延緩、停止或倒退衰老的方法，再此同時衍生出來一系列問題，需要用什么指標來衡量衰老程度？能否通過這個指標為核心掌控衰老程度，以求重返年輕？
近期發(fā)表于頂級科研期刊《nature》上的這篇文章[2]，介紹了如今被廣泛用于量化生物衰老的表觀遺傳時鐘，分析了其可能性、可行性，種種證據(jù)指出有望以表觀遺傳時鐘為核心控制生物老化速度。
什么是表觀遺傳時鐘？
或許屏幕前的你對“遺傳”這個詞耳熟能詳，但“表觀遺傳”卻與“遺傳”不盡相同。
“遺傳學”是研究基于基因序列改變所致基因表達水平變化，例如基因突變、基因雜合丟失等；“表觀遺傳學”研究基于非基因序列改變所致基因表達水平的變化，例如DNA甲基化、基因組印記等。
以DNA甲基化為例，在DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶的作用下，基因組磷酸基（CpG）二核苷酸的胞嘧啶5號碳位共價鍵結(jié)合一個甲基基團，甲基化后，CpGs可以作為蛋白質(zhì)的結(jié)合位點，改變DNA的3D結(jié)構(gòu)，會顯著降低基因表達，影響生物功能[2,13]，可謂是基因上一種重要的“開關(guān)”。
多年來，不斷有研究探索這類“開關(guān)”的“開”和“關(guān)”到底掌握著什么。
2013年，美國UCLA的遺傳學家Steve Horvath基于近萬個人類健康組織樣本的82個DNA甲基化陣列數(shù)據(jù)集，找到了DNA甲基化的一種普遍規(guī)律，發(fā)現(xiàn)它和壽命之間存在密切的聯(lián)系，并開發(fā)了一種通過測量分析DNA甲基化年齡從而預測壽命的表觀遺傳時鐘（epigenetic clock）[3]。
Horvath敏銳地發(fā)現(xiàn)，這個新穎的表觀遺傳時鐘在將來也許可用于解決發(fā)育生物學、癌癥和衰老研究中的一系列問題[3，4]。
于是2016年，Horvath再次領(lǐng)導一支由65名科學家組成的研究團隊，開發(fā)了“升級版”預測壽命的DNA甲基化表觀遺傳時鐘，再次證明了表觀遺傳時鐘與年齡的密切聯(lián)系[4]。這代時鐘分析了超過萬人血液DNA樣本，紀錄了人類DNA與衰老相關(guān)的變化，追蹤DNA甲基化的改變，計算血液和其他組織的衰老，測量每個人的衰老速率，計算生物學年齡，預測壽命[4]。
圖注：全因死亡率的單因素Cox回歸元分析，
(A)年齡加速的通用測量(AgeAccel)，
(B)內(nèi)在表觀遺傳年齡加速(IEAA)，
(C)外在表觀遺傳年齡加速(EEAA)
如今，表觀遺傳時鐘作為量化生物衰老的一類重要指標在抗衰老領(lǐng)域被廣泛應用，用以調(diào)查與衰老有關(guān)的影響因素，研究生物、社會和環(huán)境因素對表觀遺傳時鐘的影響，如體重指數(shù)不合格、艾滋病、心血管疾病、癌癥和糖尿病等因素會加速表觀遺傳時鐘[5]。
以應用于臨床為目標的
表觀遺傳時鐘“珍奇斗艷”
隨著相關(guān)研究愈發(fā)廣泛與深入，越來越多的表觀遺傳時鐘被開發(fā)出來。為了在臨床上有可視化的標準，一些預測健康與壽命的生物標記物尤為重要[2]，比如經(jīng)典的DNA甲基化衰老生物標志物遺傳位點[6]。
如前文所示，早期第一代時鐘追溯應用預先存在的數(shù)據(jù)集時預測效果確實很好，但有研究指出了其內(nèi)在局限性：隨著時間年齡預測的增加，表觀遺傳時鐘與死亡率之間的關(guān)系會逐漸減弱[7]。
圖注：提高年齡預測的準確性將減少混雜因素的影響，從而減弱表觀遺傳時鐘分數(shù)與死亡率之間的關(guān)聯(lián)[7]
耶魯大學研究衰老和表觀遺傳學的Morgan Levine認為[2]：“表觀遺傳時鐘應具有生物邏輯意義”[2]。
圖注：Morgan Levine
2018年，當時在Horvath實驗室做博士后的Levine幫助開發(fā)了第二代表觀遺傳時鐘“DNAm PhenoAge”，使用復合臨床措施來捕捉實際壽命和表型壽命的差異，以識別新的CpG和更適合且強大的衰老表觀遺傳生物標志物，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：一方面，相較第一代，第二代時鐘的應用更加廣泛，除了評估衰老程度、預測年齡之外，還可以用于分析癌癥、阿爾茨海默氏癥（如下圖所示）方面等疾??；另一方面，研究從側(cè)面再次印證了表觀遺傳時鐘與一些衰老機制的內(nèi)在聯(lián)系，比如促炎癥和干擾素通路的激活、轉(zhuǎn)錄及翻譯機制的激活、DNA損傷反應和線粒體特征的減少均與表觀遺傳時鐘的加速密切相關(guān)[8]。
圖注：在背外側(cè)前額葉皮質(zhì)測得的DNAm表型與阿爾茨海默病及相關(guān)神經(jīng)病理學有關(guān)[8]
Horvath后來開發(fā)了“GrimAge”，其通過多基因評分、表型標記方法等，預測遺傳結(jié)構(gòu)、生活方式等因素對死亡率的影響[2，7]。
還有研究團隊開發(fā)了一種肌肉特異性表觀遺傳時鐘，因為他們認為導致組織中DNA甲基化和實際年齡之間產(chǎn)生強烈偏差的原因是原始泛組織表觀遺傳時鐘的構(gòu)造不包括骨骼肌樣本[9]，該肌肉時鐘通過使用200個細胞氨酸-磷酸-鳥嘌呤二核苷酸來估計骨骼肌的年齡，從而預測年齡，并評估運動和飲食等環(huán)境因素對肌肉特異性生物衰老過程的影響[9]。
圖注：骨骼肌時鐘顯著優(yōu)于泛組織時鐘對預測和實際年齡之間的相關(guān)性[9]
這時我們不禁會想，既然可以通過表觀遺傳時鐘評估生理年齡、預測壽命，那么如果一個人的表觀遺傳時鐘年齡下降，這是否明確表明他們在生物角度上正在變年輕？
表觀遺傳時鐘分數(shù)下降，
是否意味著正在變年輕？
目前，想要結(jié)論性地回答這個問題，有兩種思路。
其一，需要對受試者進行長期跟蹤研究，表觀遺傳年齡較低的人應該比表觀遺傳年齡未受影響的人活得更長，更不容易患與年齡有關(guān)的疾病，但是這種方法需要幾十年的時間，所耗費的時間成本過大 [2]。由于目前還沒有公認的人類抗衰老干預措施，因此要檢驗一種行之有效的治療方法是否真的能降低生物鐘得分幾乎是不可能的[2]。
其二，則是觀察延長其他動物壽命的干預措施，如有研究表明熱量限制似乎確實能降低小鼠的表觀遺傳年齡[2]。
與此同時，有研究指出還應注意：是否所有延長壽命或改善晚年功能的治療都降低了表觀遺傳年齡，以及是否所有降低表觀遺傳年齡的干預都增加了壽命[2]。
是否有可能通過表觀遺傳時鐘為核心，
實現(xiàn)時間倒流、重返年輕？
首先，要探索到底是什么驅(qū)動了表觀遺傳變化？表觀遺傳時鐘分數(shù)到底反映了什么？
Horvath基于DNA甲基化在整個生命過程中的變化速度是不同的（其在發(fā)育過程中變化速度較快，在性成熟后就明顯放緩）這一證據(jù)，認為表觀遺傳時鐘分數(shù)反映了哺乳動物進化上保守的調(diào)節(jié)過程的進展 [2]。
衰老是一個導致組織功能障礙和死亡的退行性過程，隨著表觀遺傳噪聲的積累，擾亂了基因表達模式，導致組織功能和再生能力下降(如下圖所示)[10]。辛克萊通過基因工程改造老鼠，使其DNA損傷，發(fā)現(xiàn)進行修復后可以改變動物的表觀基因組，但不會引起序列突變，且隨著做的周期越多，積累的表觀遺傳噪音就越多，最終導致細胞信息的喪失，伴隨而來的即是衰老[2]。
圖注：衰老和損傷過程中表觀遺傳信息的丟失（包括DNA甲基化的全基因組變化、DNAm時鐘的加速和年輕基因表達模式的破壞）會導致組織功能和再生能力的下降[10]
那么此時我們心中不禁產(chǎn)生疑惑：將甲基組重置為更年輕的狀態(tài)是否就足以使身體恢復活力？
2020年，辛克萊帶領(lǐng)研究團隊通過引入某些轉(zhuǎn)錄因子的基因，重新編程細胞，成功使青光眼老鼠視網(wǎng)膜衰老和受傷的神經(jīng)元恢復活力，研究認為細胞在沒有去分化的情況下變得明顯年輕，這與表觀遺傳時鐘信號可能有聯(lián)系[2]，因為成熟的視網(wǎng)膜神經(jīng)元與年輕的神經(jīng)元不同，如果神經(jīng)纖維被切斷或疾病損壞，它們的軸突就不能再生，研究中小鼠模型，神經(jīng)元損傷后，其表觀遺傳時鐘過早老化，重新編程后，它們恢復了軸突萌發(fā)的能力，逆轉(zhuǎn)了與年齡相關(guān)的基因表達變化，并使表觀遺傳時鐘恢復正常[10]。目前辛克萊正利用培養(yǎng)細胞的表觀遺傳時鐘年齡來篩選潛在的抗衰老治療方法，期望找到一種可能深刻影響人類健康的干預措施[2]。
時光派點評
表觀遺傳時鐘使用表觀基因組的可預測變化，通常是DNA甲基化，通過表觀遺傳年齡估計實際壽命[12]，隨著表觀遺傳時鐘相關(guān)的各項研究不斷深入，不難看出其正在成為研究整個生命周期的健康、發(fā)育和衰老的強大工具，相信其還具有更多的可能性與無盡的潛力等待發(fā)現(xiàn)！
*時光派于上月15日攜手長壽科技產(chǎn)業(yè)大咖、年度重磅科研負責教授舉辦了2022衰老干預論壇（點擊查看歷屆論壇回顧）。盡自己所能為讀者獻上了一場抗衰老科學、長壽科技產(chǎn)業(yè)的交流盛會?，F(xiàn)直播回放已上傳，點擊文末閱讀原文即可免費觀看。（專欄內(nèi)更有重磅大咖課程等您解鎖~）
時光派特建立了論壇線上交流群。若您看完回放后想與老師們、抗衰同好更深入交流，歡迎聯(lián)系時光派工作人員入群（如無，請掃描下方二維碼添加）。
—— TIMEPIE ——
參考文獻
[1]Fahy, G. M., Brooke, R. T., Watson, J. P., Good, Z., Vasanawala, S. S., Maecker, H., Leipold, M. D., Lin, D., Kobor, M. S., & Horvath, S. (2019). Reversal of epigenetic aging and immunosenescent trends in humans. Aging cell, 18(6), e13028. https://doi.org/10.1111/acel.13028
[2] Drew L. (2022). Turning back time with epigenetic clocks. Nature, 601(7893), S20–S22. https://doi.org/10.1038/d41586-022-00077-8
[3] Horvath S. (2013). DNA methylation age of human tissues and cell types. Genome biology, 14(10), R115. https://doi.org/10.1186/gb-2013-14-10-r115
[4] Chen, B. H., Marioni, R. E., Colicino, E., Peters, M. J., Ward-Caviness, C. K., Tsai, P. C., Roetker, N. S., Just, A. C., Demerath, E. W., Guan, W., Bressler, J., Fornage, M., Studenski, S., Vandiver, A. R., Moore, A. Z., Tanaka, T., Kiel, D. P., Liang, L., Vokonas, P., Schwartz, J., … Horvath, S. (2016). DNA methylation-based measures of biological age: meta-analysis predicting time to death. Aging, 8(9), 1844–1865. https://doi.org/10.18632/aging.101020
[5]Oblak, L., van der Zaag, J., Higgins-Chen, A. T., Levine, M. E., & Boks, M. P. (2021). A systematic review of biological, social and environmental factors associated with epigenetic clock acceleration. Ageing research reviews, 69, 101348. https://doi.org/10.1016/j.arr.2021.101348
[6]McCartney, D. L., Min, J. L., Richmond, R. C., Lu, A. T., Sobczyk, M. K., Davies, G., Broer, L., Guo, X., Jeong, A., Jung, J., Kasela, S., Katrinli, S., Kuo, P. L., Matias-Garcia, P. R., Mishra, P. P., Nygaard, M., Palviainen, T., Patki, A., Raffield, L. M., Ratliff, S. M., … Marioni, R. E. (2021). Genome-wide association studies identify 137 genetic loci for DNA methylation biomarkers of aging. Genome biology, 22(1), 194. https://doi.org/10.1186/s13059-021-02398-9
[7] Zhang, Q., Vallerga, C. L., Walker, R. M., Lin, T., Henders, A. K., Montgomery, G. W., He, J., Fan, D., Fowdar, J., Kennedy, M., Pitcher, T., Pearson, J., Halliday, G., Kwok, J. B., Hickie, I., Lewis, S., Anderson, T., Silburn, P. A., Mellick, G. D., Harris, S. E., … Visscher, P. M. (2019). Improved precision of epigenetic clock estimates across tissues and its implication for biological ageing. Genome medicine, 11(1), 54. https://doi.org/10.1186/s13073-019-0667-1
[8] Levine, M. E., Lu, A. T., Quach, A., Chen, B. H., Assimes, T. L., Bandinelli, S., Hou, L., Baccarelli, A. A., Stewart, J. D., Li, Y., Whitsel, E. A., Wilson, J. G., Reiner, A. P., Aviv, A., Lohman, K., Liu, Y., Ferrucci, L., & Horvath, S. (2018). An epigenetic biomarker of aging for lifespan and healthspan. Aging, 10(4), 573–591. https://doi.org/10.18632/aging.101414
[9]Voisin, S., Harvey, N. R., Haupt, L. M., Griffiths, L. R., Ashton, K. J., Coffey, V. G., Doering, T. M., Thompson, J. M., Benedict, C., Cedernaes, J., Lindholm, M. E., Craig, J. M., Rowlands, D. S., Sharples, A. P., Horvath, S., & Eynon, N. (2020). An epigenetic clock for human skeletal muscle. Journal of cachexia, sarcopenia and muscle, 11(4), 887–898. https://doi.org/10.1002/jcsm.12556
[10]Lu, Y., Brommer, B., Tian, X., Krishnan, A., Meer, M., Wang, C., Vera, D. L., Zeng, Q., Yu, D., Bonkowski, M. S., Yang, J. H., Zhou, S., Hoffmann, E. M., Karg, M. M., Schultz, M. B., Kane, A. E., Davidsohn, N., Korobkina, E., Chwalek, K., Rajman, L. A., … Sinclair, D. A. (2020). Reprogramming to recover youthful epigenetic information and restore vision. Nature, 588(7836), 124–129. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2975-4
[11] Ashapkin, V. V., Kutueva, L. I., & Vanyushin, B. F. (2019). Epigenetic Clock: Just a Convenient Marker or an Active Driver of Aging?. Advances in experimental medicine and biology, 1178, 175–206. https://doi.org/10.1007/978-3-030-25650-0_10
[12]Ryan C. P. (2021). 'Epigenetic clocks': Theory and applications in human biology. American journal of human biology : the official journal of the Human Biology Council, 33(3), e23488. https://doi.org/10.1002/ajhb.23488
[13]Moore, L. D., Le, T., & Fan, G. (2013). DNA methylation and its basic function. Neuropsychopharmacology : official publication of the American College of Neuropsychopharmacology, 38(1), 23–38. https://doi.org/10.1038/npp.2012.112
