突破丨Nature长文报道中国学者发现新的衰老调控信号通路——附董梦秋评论

千百年来，人类对长生不老或者说延缓衰老的向往和追求步伐始终没有停歇过。党的十九大报告开篇就指出了“人民对美好生活的向往就是我们的奋斗目标”。那么我们对延缓衰老、保持健康长寿的美好追求是否有迹可循呢？

北京时间11月9日凌晨，来自中科院上海神经科学研究所蔡时青研究员课题组在Nature杂志上以长文形式（Article）发表了题为“Genetic variation in glia–neuron signalling modulates ageing rate”的研究论文，首次揭示了个体之间衰老速度差异的遗传基础，发现一条新的信号通路调控动物衰老，阐明了神经肽介导的胶质细胞-神经元信号在衰老速度调控中的重要作用，是近年来衰老领域取得的重要突破。 鉴于该工作的重要性以及创新性，BioArt特别邀请到了北京生命科学研究所董梦秋研究员做做精彩点评，以飨读者（温馨提示：董老师的点评真的非常精彩。）。

衰老生物学研究其实属于一门新兴学科，在前期的几十年里发展得较为缓慢，学术界对于衰老的原因提供了多种假说，试图从不同的方面进行解释【1】。这些假说包括：氧化自由基损伤假说、端粒假说、错误蛋白质合成假说、基因突变累积假说等。然而上述假说只能解释部分衰老现象。

随着杰出的生物学家Sydney Brenner（线虫生物学的开拓者，2002年与 Bob Horvitz和John Sulston共同获得诺贝尔生理或医学奖）等人开始利用线虫作为模式生物研究发育生物学问题， 线虫逐渐被广泛应用于生物学研究的各个分支领域。线虫因其遗传背景清楚和生活史短（成虫体长仅 1.5 mm；在 20℃下，线虫平均发育时间为 3.5 天，整个生命周期约 21 天）， 是研究衰老的重要模式生物， 许多重要的调控寿命的信号通路都是首先在线虫中发现的【2】。特别值得一提的是，美国加州大学旧金山分校的 Cynthia Kenyon 教授（Sydney Brenner在英国MRC的博后）实验室1993年在Nature杂志上报道了编码胰岛素受体样蛋白的基因Daf-2突变后线虫的寿命增加了一倍【3】，这项研究称得上是衰老研究领域里程碑式的工作，首次揭示单基因可以调控动物寿命， 开启了人们对寿命调控机制研究的新时代。

Cynthia Kenyon教授

在随后是时间里，科学家陆陆续续发现了上百个与动物寿命延长相关的基因，这些长寿基因的发现，使人们对于寿命控制机制有了较为全面和清晰的认识【2,4】，值得一提的是Cynthia Kenyon 教授实验室最为著名的博后Andrew Dillin（HHMI研究员，UC Berkeley大学教授）在该领域也做出了巨大的贡献。

Andrew Dillin实验室主页上用线虫拼写的“DILLIN”

据了解，这篇Nature论文的通讯作者蔡时青博士在国外做博士后期间就涉足过衰老相关研究，他发现钾离子通道的氧化修饰在衰老动物感觉系统退化过程中发挥十分关键的作用【5】。 回国后，蔡时青博士在中科院神经科学研究所建立自己的实验室之后，除了继续研究离子通道方面课题外，也开始探究衰老调控机制。

蔡时青课题组团队在开展衰老研究时没有拘泥于当前一些研究模式和手段，而是选择了从衰老速度在个体之间存在的显著差异入手。众所周知，大部分人的行为和认知功能会随着衰老逐渐退化，然而也有一些人在耄耋之年仍能保持较好的活力。这种现象给研究人员带来了一些启示，研究个体之间衰老速度差异的遗传基础将为抗衰老提供重要线索，但相关研究还未见报道。

在最新的这项研究中，研究人员仔细观察线虫在衰老过程中雄性交配、进食和运动能力退化情况，发现来自世界不同地区的野生线虫行为退化速度存在显著差异。这个结果说明个体之间衰老速度差异是普遍存在的现象，这令研究人员十分高兴， 接下来如何找到这种差异背后的原因成为摆在研究人员面前的首要问题。虽然这些野生线虫来自世界不同地区，由于这样的衰老速度差异是在实验室相同条件下观察到的，这排除了环境因素对实验结果的影响，这个结果也暗示遗传多样性可能是导致这些野生型线虫衰老速度不同的重要原因。 

线虫基因组含有约 20000 个基因，在数目上和人类拥有的基因相比差别不太大，如何在众多基因中找到靶基因不是一件容易的事情。 但是在这项研究中，研究人员设计了一个比较巧妙的实验，既通过将衰老慢的野生线虫与快速衰老的野生线虫杂交，在子代中寻找衰老慢的线虫继续与快速衰老的野生线虫杂交， 通过八次这样的重复杂交， 原本衰老慢的野生线虫基因组中和衰老速度不相关的区域都被替换为快速衰老野生线虫的基因组， 然后通过全基因组测序， 研究人员找到了影响衰老速度的基因组区域，确定了目的基因rgba-1（下图）。

 rgba-1 基因的鉴定历程

rgba-1基因全称为“regulatory-gene-for-behavioral-aging-1”，该基因是研究人员自行命名的基因。 进一步研究发现， rgba-1 基因可能编码神经肽（神经肽是神经系统中除神经递质之外另一类重要的信使分子，作用广泛而又复杂，能够调节痛觉、学习与记忆等，并且在体内含量极低）。

研究人员为了确定 rgba-1 是否真的可以产生神经肽，他们提取并鉴定了线虫体内成熟的神经肽（线虫内包含的神经肽大约有250种，每种神经肽的含量可能极低。研究人员为了确定具体哪一种神经肽参与调控衰老，他们将所有活性神经肽提取出来，然后通过质谱鉴定到目的肽段）。确定神经肽是一项工作量巨大的实验，据BioArt向研究人员了解，他们共计使用了大约500万只成年线虫，整个确定 rgba-1 内源神经肽并测定其含量的实验历时约一年时间。

神经肽发挥生物活性和功能需要通过作用于受体实现，为了鉴定这样的受体，研究人员在线虫中筛选了已被预测可能是神经肽受体的28个基因，最终找到了一个基因 npr-28 可能是 rgba-1 受体，并进一步确认 npr-28 确实可以被RGBA-1 神经肽激活。

那么为什么这样一个新的信号通路在不同野生线虫中会产生如此大的衰老速度的差异呢？为了回答这个问题，研究人员通过比对不同线虫中神经肽和受体编码基因在序列上的差异。为了进一步验证这些基因差异是否是造成线虫衰老速度差异的原因，研究人员使用CRISPR-Cas9技术对相关序列进行的改造，最终发现这种 DNA 序列的自然变异确实是导致不同野生线虫衰老速度差异的原因。

研究人员进一步对这一全新的神经肽信号通路如何调控衰老速度进行了深入研究，发现该新的神经肽由神经组织里一种容易被忽略的胶质细胞释放，作用于可以合成五羟色胺和多巴胺神经递质的神经元上的受体 NPR-28，抑制了“长寿基因”SIRT1 在线虫中的同源蛋白SIR-2.1 介导的细胞内线粒体应激反应，进而调控线虫衰老速度。 野生线虫间存在的 rgba-1和 npr-28 基因 DNA 自然变异造成了 RGBA-1 神经肽分泌量或者 NPR-28 受体活性不同，使得该神经肽信号通路强度不同，最终导致野生型线虫衰老速度差异（下图）。

衰老速度调控机制的模式图

目前， 线虫资源库已搜集了来自世界不同地区的野生线虫品系数百个， 这些线虫的基因组已被测序完成。 这也为研究衰老的进化提供很好的素材， 蔡时青研究团队和中国科学院-马普学会计算生物学伙伴研究所李海鹏课题组合作， 对 rgba-1 和 npr-28 基因上存在的遗传多态性进行群体遗传学和进化分析，发现这两个基因的多态性在几百个野生线虫品系中广泛存在，且呈现全球分布的特点。 进一步分析， 他们发现 rgba-1 是新进化出现的基因， 并发现 rgba-1 和 npr-28 基因可能在进化过程中受到过正向选择。 正向选择是自然选择的一种形式， 它将对物种有利的基因突变形式选择下来， 同时该突变位点附近的其他的多态位点也跟着受到了选择，频率发生了提高， 这降低了该受选择的突变基因周围区域的遗传多态性。本研究做出了与现有衰老进化理论不同的新的发现， 即衰老受新基因出现、自然选择和不同遗传位点之间的相互作用的影响，为衰老的进化提供新的认识。

新发现的意义

该工作首次揭示了个体之间衰老速度差异的遗传基础，发现一条新的信号通路调控动物衰老，阐明了神经肽介导的胶质细胞-神经元信号在衰老速度调控中的重要作用，是近年来衰老领域取得的重要突破。 

调控个体之间衰老速度差异的基因已经经历了长期的进化选择，对生长繁育一般没有不良影响，有望成为抗衰老的潜在靶点。该工作从个体差异出发为抗衰老研究提供了一个全新视角，后续研究进一步解析个体之间衰老差异将帮助我们系统地理解健康衰老的调控机制。

此外，本研究还对衰老的进化提供了新的重要认识。衰老的进化理论认为进化选择的基因往往是对物种的生长繁育有利，而这些基因在生命后期会促进衰老。 蔡时青及团队研究发现， 进化选择的基因除了可以给物种生长繁育带来优势外，这些基因还可以延缓动物衰老或者延长寿命或者二者兼而有之。 另外，该工作发现衰老的进化受新基因出现、自然选择和不同遗传位点之间的相互作用影响。这些有关进化方面新的发现， 丰富了衰老进化理论。

据悉，该工作主要由论文共同第一作者、蔡时青课题组博士后尹江安博士和博士生高革共同完成，蔡时青研究员为本文通讯作者。

同行评阅意见

据BioArt向蔡时青课题组了解，在论文投递过程中， 审稿人也对本研究给予了积极的评价，他们认为：

“ 总的来说，这篇研究论文是可靠的，显示了一个新的发现，并揭示了其背后的机制”。（“Overall the manuscript is sound, shows a novel finding and identifies the underlying mechanism”）；

 “鉴于人们对自然遗传变异如何调控衰老速度缺乏了解，以及人们对神经调质信号在衰老速度控制中的广泛兴趣，我认为本研究会引起Nature杂志广大读者的兴趣。总的来说，本研究为高质量的研究， 作者运用了多种现代技术来解析他们的发现，如 CRISPR-Cas-9 基因编辑技术、高效液相色谱和细胞培养”。（“Given the lack of understanding about how natural genetic variation regulates aging rate, and general interest in the role of neuromodulatory signaling in this process, I think these results will be of general interest to the readers of Nature. Overall the data in the paper is of high-quality. A variety of modern techniques are used to strengthen their claims –CRISPR/Cas9 induced genome editing, HPLC, analysis in cell culture”）

“这是一篇有意思的、写得非常好的文章，数据最有力地阐明了他们报道的分子通路促进成年线虫雄虫交配和咽喉跳动能力下降” 。（“This is an interesting and well written paper with data mostly strongly documented that reports on molecular signaling that promotes decline of male mating proficiency and pharyngeal pumping in adult C. elegans”）

“该研究就遗传如何影响衰老做出了多个重要发现，虽然这些发现不全是新的，但在该研究中它们得到了非常强的诠释（这包括机体组织健康和行为能力与寿命长短之间没有必然的联系）。该研究论文巧妙地运用行为和基因位点在不同野生线虫品系之间的差异，将神经肽信号、行为和衰老三者联系了起来”。（“The work makes multiple important points about genetic influences on aging, which although not wholly novel, are very strongly made here, including documentation of the uncoupling of tissue healthspan and behavior from lifespan. The paper makes elegant use of allelic/behavioral comparisons across natural variant strains to inform on biology. Finally the paper reports molecular connections in neuropeptide signaling, behaviour, and aging”）

同行点评：

董梦秋（北京生命科学研究所高级研究员）

Comments：蔡时青研究员在线虫神经生物学领域耕耘多年（老虫），过去主要研究离子通道，这次探足衰老，旋即放出大招。作为虫老（研究线虫衰老的），我认为这篇文章看点有三。

第一，看发现。作者从野外采集到的秀丽线虫品系中发现有天然存在的遗传变异，不仅延寿，而且保健壮阳。这一发现直接质疑拮抗性多效衰老理论 (antagonistic pleiotrophy theory of aging，包括disposable soma theory)。该理论认为衰老是有机体为了更好地发育和生育而在生命后半程付出的代价。换句话说，若想长寿，必须在其它地方做出让步，比如生育。虽然该理论以前也遭到实验数据质疑，但由于它流传广泛，根深蒂固，难以撼动。希望借这篇文章之东风，能扫除一些狭隘的认识。

第二，看发现的过程。这个大家自己去看，留意有多少炫酷的技术。过程长，难关少不了，但挡不住坚强神经和先进武器，连猜带筛，有惊无险。从比较野生品系间的衰老差异开始，到找出闹事儿的DNA 多态性，鉴定基因，确认是神经肽 ，找到神经肽的受体，各种验证，补充机制，工作完整细致，为虫界大大增光。

第三，看老虫谋划了多久。本文故事从strain SQC0002展开。做线虫的一看就知道这是蔡时青实验室开张后构建的第二个strain。

附带说一句，这篇文章发现了控制雄性线虫交配行为衰退的信号通路, 而就在三个月前，北京生命科学研究所王晓东实验室发现了控制雄性小鼠生殖系统衰老的信号通路（BioArt注：王晓东老师实验室近期的工作简单的说就是，给年轻小鼠的睾丸内打了一针特异诱导RIP1/RIP3/MLKL激活的试剂，发现可以引起生殖系统早衰）。 （老年）男性读者请互相转告。

参考文献：

1. Weinert, B.T. and P.S. Timiras, Invited review: Theories of aging. J Appl Physiol (1985),2003. 95(4): p. 1706-16.

2. Kenyon, C.J., The genetics of ageing. Nature, 2010. 464(7288): p. 504-12.

3. Kenyon, C., et al., A C. elegans mutant that lives twice as long as wild type. Nature, 1993.366(6454): p. 461-4.

4. Gems, D. and L. Partridge, Genetics of longevity in model organisms: debates and paradigm shifts. Annu Rev Physiol, 2013. 75: p. 621-44.

5. Cai, S.Q. and F. Sesti, Oxidation of a potassium channel causes progressive sensory function loss during aging. Nat Neurosci, 2009. 12(5): p. 611-7.

6. Yin, J.A., et al., Longevity manipulations differentially affect serotonin/dopamine level and behavioral deterioration in aging Caenorhabditis elegans. J Neurosci, 2014. 34(11): p.3947-58.

7. Bansal, A., et al., Uncoupling lifespan and healthspan in Caenorhabditis elegans longevity mutants. Proc Natl Acad Sci U S A, 2015. 112(3): p. E277-86.

8. Guarente, L., Aging research-where do we stand and where are we going? Cell, 2014.159(1): p. 15-19.

9. Hansen, M. and B.K. Kennedy, Does Longer Lifespan Mean Longer Healthspan? Trends Cell Biol, 2016. 26(8): p. 565-8.

10. Ljubuncic, P. and A.Z. Reznick, The evolutionary theories of aging revisited--a mini-review. Gerontology, 2009. 55(2): p. 205-16.

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通讯作者简介：

蔡时青，博士，现任中科院神经科学研究所研究员。1997年毕业于中国农业大学，获理学学士学位。1997年至2002年 就读于中科院上海植物生理生态研究所，获博士学位。2004至2009年在美国新泽西医科牙科大学做博士后工作。2009年回国担任中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所离子通道调控研究组组长、博士生导师。2011年入选中国科学院“百人计划”择优支持。主要研究离子通道功能调控和神经系统老化机制。

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