返老还童，或许不是梦？
*本文为「三联生活周刊」原创内容
越来越多的证据表明，高等动物的衰老过程是可以被逆转的。
主笔｜袁越
两只小鼠，一只毛色乌黑，动作敏捷，精力旺盛，就像人类30多岁时应该有的样子。另一只却毛发斑白，双眼浑浊，行动迟缓，就像一个70多岁的老人。但其实它们都只有10个月大，那只衰老得很厉害的小鼠在它5个月大的时候吃了一种貌似无害的药，结果就变成了现在这个样子。
更令人惊奇的是，这只早衰的小鼠在吃了另一种药物之后，不但外貌和行动方式发生了明显的改变，就连内脏器官的功能和新陈代谢指标也都得到了部分恢复，重新和那只作为对照的同龄小鼠站在了同一条起跑线上。
这个故事来自一篇科学论文，发表在2023年1月19日出版的《细胞》（Cell）杂志上。论文的通讯作者大卫·辛克莱尔（David Sinclair）来自哈佛大学附属医学院，是抗衰老研究领域的一位国际知名学者。他在接受媒体采访时表示，这个结果证明衰老是一个可逆的过程，而他们实验室不但已经找到了导致衰老的原因，而且能够随心所欲地加速或者逆转衰老的过程。
不用说，这篇论文刚一发表便登上了全球各大新闻网站的首页。兴奋的媒体记者们纷纷撰写评论文章，声称返老还童药的出现只是时间问题了。事实果真如此吗？这就要从衰老的机理开始说起了。
从基因组到表观基因组
早年的科学家们认为，衰老是一种物理现象，就像机器用久了必然会磨损一样。但随着现代遗传学的兴起，很多人改变了看法，相信衰老是基因突变逐渐累积的结果。这里所说的基因突变指的是DNA长链上的核苷酸序列变化，也就是ATGC这4个字母的顺序和排列组合方式发生了改变。
基因突变是正常的生理现象，因为DNA在复制时难免会出差错。位于细胞核内部的DNA矫正机制可以修复绝大部分差错，但仍然会有少量漏网之鱼，这就是基因突变的主要来源。另外，自然环境中的放射线、细胞新陈代谢过程中产生的自由基，以及某些有毒化学分子也会破坏DNA序列，导致基因突变的产生。如果某个基因突变影响了蛋白质的化学性质，那么细胞的正常生理功能肯定会受影响，衰老就是必然的结果。
上述理论听上去很有道理，但一些动物实验却得出了相反的结论。比如有人曾经培育出了一种特殊的小鼠品系，其DNA发生变异的概率要比对照组高得多，但衰老的速率却没有发生明显的变化。还有人研究了老人的DNA序列，发现基因突变的程度并没有该理论假设的那么高。
最有说服力的证据来自分子生物钟的研究。遗传学家们相信，如果衰老的原因是基因突变，那么一定能从基因序列里找出衰老的信号，并据此研发出一种能够准确衡量细胞衰老程度的分子生物钟。可惜的是，一大批学者在这一领域投入了大量精力，但却一直没能找到这样的信号，于是大家开始怀疑这个假说，认为衰老很可能不是基因突变造成的。
与此同时，另一批学者相信导致衰老的不是DNA序列的变异，而是DNA分子形状的变化。如果说前者对应的是遗传学（Genetics）的话，那么后者对应的就是表观遗传学（Epigenetics），其英文前缀Epi的意思是“其外”或者“附带”，即DNA序列之外的一种新的遗传方式。
表观遗传学是个历史词，因为早年间的遗传学家们相信除了先天的DNA序列之外，还有一些后天获得的信息也能被遗传给下一代。比如曾经有人研究了“二战”时期大屠杀幸存者的后代，发现他们在集中营里经受的苦难会影响到下一代人的新陈代谢模式。这种遗传方式显然和DNA序列无关，而是父母的悲惨经历以另一种方式在DNA上留下了一些可遗传的印迹，有点类似法国科学家拉马克提出的用进废退学说。
这种来自后天的遗传信息究竟储存在哪里呢？答案就是DNA的三维结构。众所周知，DNA分子长链会浓缩成一条紧凑的染色体（Chromosome），但这是在细胞分裂时才会发生的现象。DNA分子平时并没有聚集得那么紧密，而是以一种相对宽松的形式存在于细胞核之中，这就是染色质（Chromatin）。如果我们化身成一个微型探测器，钻进细胞核之中去观察一番，就会发现染色质是一种由DNA、蛋白质和RNA组成的细丝状大分子复合物，其三维结构决定了哪些基因会暴露在外，从而被调控因子所识别，哪些基因会躲在其中，这就相当于该基因被关闭了。
表观遗传学研究的就是染色质的三维结构和基因活性调控之间的关系，后者几乎和基因序列本身同等重要，因为人体所有细胞的DNA序列都是相同的，决定细胞命运的就是不同的基因调控方式，即染色质的三维结构，科学术语称之为“表观遗传景观”（Epigenetic Landscape）。
我们可以把表观遗传景观想象成书的装帧方式，这会对读者产生很大影响。比如相同内容的两本书，如果其中一本书在很多页码之间插上了书签，又在另外一些页码之间涂上胶水，这样做出来的书肯定会影响到读书人的阅读方式，继而影响到读书人获取的信息。
问题在于，“景观”这个概念是很难被量化的。如果用信息学术语来描述的话，基因组相当于数码信号，表观基因组则相当于模拟信号，显然前者研究起来更方便。好在科学家们发现DNA分子上的一种名为“甲基”的修饰物能够在很大程度上决定DNA分子的三维结构，而甲基化修饰物是很容易被量化的，于是表观遗传学很快就演变为一门研究DNA甲基化（Methylation）的学科，这就相当于原来的模拟信号通过采样而被数字化了。
甲基是1个碳原子和3个氢原子组成的小分子基团，它可以和DNA分子上的字母C和字母A相连接，这就是甲基化。但在哺乳动物当中，绝大部分甲基都和字母C相连，而且字母C后面大都连着一个字母G，所以哺乳动物的甲基化位点被标记成CpG。人类基因组当中有大约2800万个CpG位点，它们共同决定了基因组的表观遗传景观。不同细胞的DNA甲基化位点都是不同的，这就是为什么不同细胞的表观遗传景观会有细微的差别，这个差别决定了细胞到底会分化成哪一类，是上皮细胞还是神经元。
成年人体细胞的表观遗传景观会随着年龄的增长而发生改变，这就是生活经历留下的遗传印迹。但这个印迹是很难遗传给下一代的，因为科学家们发现精子和卵子在受精之后其甲基化位点会全部清零，把所有的后天影响尽数抹去。这个新发现彻底否定了用进废退学说，前文提到的那个父母苦难生活对下一代的影响很可能是对研究数据的误读。
但是，对于成年人本身来说，表观遗传景观随时间的变化一定会影响到细胞的功能，而辛克莱尔教授很早就意识到这很可能就是衰老的原因。他用酵母菌做实验，发现了一种能够影响表观遗传景观的去乙酰化酶（Sirtuin），并证明这种酶能够减缓衰老的速度。他还从大自然中筛选出了一种能够激活这种酶的小分子化合物，这就是大名鼎鼎的白芦藜醇（Resveratrol，红酒中的一种主要成分）。可惜后续实验发现白芦藜醇并不能帮助小鼠抵抗衰老，再加上康涅狄格大学的一位名叫迪帕克·达斯（Dipak Das）的教授因为伪造数据而被撤回了150篇关于白芦藜醇的研究论文，喝酒延寿的神话破灭了。
白芦藜醇虽然光环不在了，但表观遗传景观与衰老的关系却得到了越来越多的支持。美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的遗传系教授史蒂夫·霍瓦茨（Steve Horvath）在2013年发表了一篇重磅论文，证明DNA甲基化和衰老呈现出很强的正相关性。他甚至推导出了一组公式，仅用300多个DNA甲基化位点数据就能算出某组织或者某器官的真实年龄，误差只有百分之几。这个结果说明DNA甲基化可以作为分子生物钟，测量出动物的衰老速度。
这项新发现不但为抗衰老研究提供了一个非常好用的实验工具，还为表观遗传景观变化导致衰老的假说添加了一枚重磅筹码。辛克莱尔教授则更加坚定了自己的信念，他和同事们设计了一个精巧的实验，试图找出表观遗传景观发生改变的原因，前文提到的那篇引起轰动的《细胞》杂志论文讲的主要是这件事情。
衰老的信息理论
辛克莱尔教授相信，DNA分子的变化仍然是衰老的原因，只不过他认为核酸碱基的替换（ATCG字母的变化），以及DNA片段的缺失或者位移等这些能够直接影响蛋白质特性的基因突变并没有大家想象的那么重要。真正能够导致衰老的是双链DNA分子的断点，或者更准确地说，是DNA断点修复效率随时间的降低。
由于环境中的有毒分子或者放射性等原因，我们体内的DNA分子经常会被打断。据统计，一个成年人的体细胞每天都会发生10～50次DNA断点事件。这样算下来，这名成年人的身体内平均每分钟都会产生大约100万个DNA断点！要不是因为人体细胞具备超强的断点修复能力，人类恐怕连一分钟都活不下去。
DNA断点修复需要很多酶的共同参与，前文提到的那个去乙酰化酶就是其中之一。但为了证明DNA断点修复过程（而不是断点本身）才是导致表观遗传景观变化的原因，科学家们需要设计出一个特殊的实验系统，将过程和结果区分开来。
最终获得成功的是辛克莱尔教授，他和同事们通过转基因的方式培育出了一种携带ICE系统的小鼠，这个ICE的意思是“可诱导表观遗传组改变”（Inducible Changes to the Epigenome），系统中包括一个DNA剪切酶和一个小分子开关。这个开关是由一种名为泰莫西芬（Tamoxifen）的小分子化合物负责启动的，只要在小鼠的饮食中加入泰莫西芬，ICE系统就会被启动，将DNA剪切酶释放出来。这种酶会在小鼠的基因组内选择性地切出20个断点，导致小鼠体细胞内的DNA断点产生速度是正常情况下的3倍左右。
值得一提的是，这个DNA剪切酶具备高度的位置选择性，切出的这20个位点全都位于编码蛋白质的基因之外，不会直接影响到小鼠本身的生理功能。换句话说，如果ICE系统带来了某种改变，那一定是DNA断点修复过程导致的，和断点本身无关。
研究者们将这种ICE小鼠分成两组，一组作为对照，什么都不用做，另一组则在它们4～6个月大的时候在饮食中添加泰莫西芬，启动它们体内的ICE系统，但只添加了3周就停止，让小鼠恢复原状。停药一个月之后两者之间还看不出差别，但此后服药那组小鼠的衰老速度明显加快，无论是外貌、行为还是各项生理指标均出现了不同程度的老化情况。他们又用霍瓦茨教授发明的DNA甲基化生物钟对两种小鼠进行了测试，发现服药小鼠的生物钟比对照组快了50%。
为了再次证明实验组小鼠加速老化的原因不是基因突变，科学家们测出了这些小鼠的基因组全序列，证明两者之间没有差别，DNA 断点都被完美地修复了，这就进一步证明衰老的原因只可能是DNA断点修复过程导致的表观遗传景观变化。
这是科学家们第一次证明即使是准确忠实的DNA断点修复也会改变表观遗传信息，其意义相当重要。辛克莱尔教授认为，DNA断点修复是个非常复杂的过程，涉及好几种修复酶。每当出现一个新的断点时，这些酶必须迅速聚集到断点处开始修复工作。完成任务之后，这些酶又必须立刻回到各自原来的位置待命。如果断点发生得太过频繁，导致修复酶完成工作后不能及时返回原点，就可能带来表观遗传景观的变化。
前文提到，动物体内不同细胞的身份就是由表观遗传景观所决定的。当表观遗传景观被岁月侵蚀之后，细胞的身份信息便会丢失，导致细胞的“去分化”（Exdifferentiation）。失去了身份信息的细胞肯定不在工作状态，更容易犯错，其结果就是衰老。
辛克莱尔将这一理论称为“衰老的信息理论”（Information Theories of Aging）。他认为生命的核心动力就是克服熵增，而负熵的本质就是信息。换句话说，克服熵增的过程和信息的储存与传递是等价的。如果信息在传递过程中丢失，熵值就会随之增加，这就是衰老。
这个信息理论得到了越来越多的证据支持，但辛克莱尔教授在这篇论文里提出的双链DNA断点修补导致衰老的理论从目前来看还只是一家之言，其发生机理也只是他的个人猜测，有待进一步研究的检验。
事实上，还有一些类似的研究得出过相反的结论。比如霍瓦茨教授曾经在2022年5月16日出版的《自然/衰老》（Nature Aging）杂志上发表过一篇论文，证明用放射线照射细胞并不能导致表观遗传景观的改变。当然了，霍瓦茨教授用的是体外培养的细胞，辛克莱尔教授用的是整个小鼠，实验材料不太一样，但毕竟两者都产生了大量DNA断点，如果最终结果不同的话，一定是中间的哪个环节出了问题，需要给出合理的解释。
更重要的是，辛克莱尔教授提出的这个理论似乎暗示了衰老是一个被动的过程，完全是DNA断点修复不当导致的。但已有很多案例表明，衰老更有可能是生物主动操控的结果。比如三文鱼在产卵结束后会迅速衰老，这一点仅用辛克莱尔的理论是说不通的。再比如，鸽子的平均寿命是同等体重的小鼠的10倍，这一差别也很难用上述理论来解释。
虽然该理论仍然有待检验，但辛克莱尔教授显然志不在此。他的最终目的不是解释衰老，而是要逆转衰老的过程，从而发明出一种返老还童的药物。
返老还童的愿望能实现吗？
假如“衰老的信息理论”是正确的，那么如果你想要逆转衰老，首先必须把丢失的表观遗传信息找回来。辛克莱尔教授相信我们每个人的体细胞内都存有一个年轻的备份，因为早在2006年，一位名叫山中伸弥的日本京都大学教授就成功地将小鼠的成纤维细胞诱导成为类似于胚胎干细胞的多功能干细胞（iPS）。这件事相当于让一个已经完成分化的体细胞返老还童，重新成为分化前的幼齿状态。
山中伸弥教授使用的方法非常简单，即通过慢病毒载体将Oct4、Sox2、Klf4和Myc这4个转录因子（又称山中伸弥因子，一般简称为OSKM）转入小鼠成纤维细胞之中，让它们不断地合成出相应的4种转录蛋白。在这4种转录蛋白的作用下，小鼠成纤维细胞就会逐渐失去其分化特征，重回幼年状态。
山中伸弥教授因为这项成就获得了2012年的诺贝尔医学或生理学奖，但科学家们直到今天都还不知道这4种转录蛋白究竟是如何起作用的，也不知道成年体细胞去分化的机理到底是什么。但是，这一点并不妨碍全球科学家们纷纷投入这一领域，因为针对干细胞能做的事情太多了，只要能干成一件就会名垂青史。
不过，因为技术能力的不足，此前所有这类实验都只能在细胞的水平上进行，没人知道如何才能让一只成年高等动物返老还童。最早成功做到这一点的是一位在美国索尔克研究所（Salk Institute）工作的西班牙科学家胡安·卡洛斯·伊斯皮苏亚·贝尔蒙特（Juan Carlos Izpisua Belmonte），他于2016年培育出了一种转基因小鼠，体内带有编码OSKM这4种转录因子的基因。他又在这4个基因的前面安装了一个分子开关，只有在小鼠的饮食中添加了无害的多西环素（Doxycycline）之后，这4种转录因子基因才会被激活，从而制造出相应的转录蛋白。这样一来，科学家们就可以很容易地控制这4种转录因子的活性，不至于让小鼠全身所有的细胞全都彻底地退回到干细胞的状态，那样的话小鼠肯定活不成了。
换句话说，贝尔蒙特教授试图通过这个方法让小鼠只年轻那么一点点，而不是完全地回到胚胎状态。事实上，这才是绝大部分想长寿的人的真实想法，没人愿意变成好莱坞电影《本杰明·巴顿奇事》里那个从老人蜕变成幼儿的巴顿先生。
贝尔蒙特教授通过一系列测试，选择了让实验小鼠每周有2天的时间能吃到多西环素（从而激活转录因子），其余时间照旧，结果发现这些小鼠不但全都安然无恙，而且它们身上的一些衰老症状果然得到了部分缓解，相关论文发表在2016年12月15日出版的《细胞》杂志上。
这是人类第一次通过一种药物把哺乳动物的生命时钟往回拨了一点点，具有划时代的意义。可惜后续实验发现这个方法的效果很不稳定，经过处理的小鼠很容易患上癌症，这显然是不行的。
最终解决这个难题的是辛克莱尔实验室的一位来自复旦大学的研究生吕垣澄，他简化了贝尔蒙特的方法，去掉了那个容易导致癌症的转录因子Myc，只把其余3个转录因子（即OSK）通过一种名为AAV（腺相关病毒）的基因载体转入小鼠的体细胞之中，效果出奇地好。最终吕垣澄和同事们用这个OSK疗法治好了因青光眼（衰老导致的视神经损伤）而致盲的小鼠，让它们的视神经恢复了生长，相关论文发表在2020年12月2日出版的《自然》（Nature）杂志上。
这又是一篇划时代的论文，因为这是人类第一次使用一种基于表观遗传学的新技术对高等动物进行了活体的“部分重新编程”（Partial Reprogramming），从而在不致癌的前提下治好了一种老年病。
两年之后，辛克莱尔实验室又往前迈了一大步，利用OSK疗法对前文提到的ICE小鼠进行了全身部分重新编程，把那几只早衰小鼠的生命时钟往回拨了57%，让它们和对照组回到了同一条起跑线上。
“我们并不是在制造干细胞，而只是把细胞的生命时钟往回拨那么一点点，让这些细胞依然保留自己的身份特征。”辛克莱尔对记者说，“让我惊讶的是，这个方法具有极强的普适性，我至今还没有发现任何一种细胞的生物钟不能用这个方法进行操控。”
与此同时，一家名为“返老还童生物学”（Rejuvenate Bio）的生物技术公司用这个方法在普通小鼠身上进行了实验，效果同样惊人。这家总部位于加州圣地亚哥的生物技术公司采用了和辛克莱尔实验室类似的方法，即用AAV作为载体，将3种转录因子（OSK）转入已经活了124周（大约相当于人类的77岁）的老年小鼠体内，让这些小鼠平均又多活了18.5周，而未经OSK疗法处理的对照组平均只多活了8.86周，比实验组少活了9.64周。相关论文发表在2023年1月4日出版的《生物学开放期刊》（bioRxiv）上。
“返老还童生物学”公司正在分析实验结果，希望能找出OSK疗法的作用机理，并进一步优化给药方式，争取尽快上临床。辛克莱尔则相对保守一些，他打算先从治疗老年病开始寻找突破口。他们的实验室正在猴子身上做实验，希望能运用同样的方法治好猴子的青光眼，然后再想办法运用到人类身上。
结语
第一个长寿基因Age-1是在1988年被发现的，此事标志着基于现代基因组学的抗衰老研究正式拉开了序幕。经过了30多年的努力，科学家们不但找到了更多能够延长寿命的基因，而且还发明了一套基于表观遗传学的算法，能够准确地测量出某个组织或者器官的真实寿命。在此基础上，科学家们第一次运用自己掌握的知识，成功地将高等动物的生物钟往回拨了一点点，逆转了此前一直被认为是不可逆的衰老过程，发展速度可算是相当之快了。
但是，这类实验仅仅只在动物身上取得了初步的成功，尚不具备进行人体临床试验的条件，原因在于目前科学界关于导致衰老的分子机制尚未取得共识，还有很多未解之谜有待进一步研究。因此，目前任何关于返老还童的想象距离现实还是有段距离的。
话虽如此，像治疗青光眼这类局部的逆转衰老实验已经具备了进行人体实验的条件，未来有望成为对抗老年病的新武器。只有在这方面的研究取得了重大而持久的进步之后，我们才能真正开始讨论返老还童的可能性。在此之前，大家还是把更多的注意力放在那些已被证明确实有效的抗衰老方法上吧，比如控制饮食和坚持运动，争取活得更久一点。
毕竟，从抗衰老研究的进步速度来看，你现在活得越久，将来活得就越久。
排版：飞飞/ 审核：小风
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