深度解读 | 你的四十岁和她的四十岁为什么不一样？我们在线虫身上找到了答案
作者： 尹江安 高革（中国科学院神经科学研究所）
编者按：
2017年11月9日，《自然》（Nature）杂志以长篇研究论文（Article）形式发表了中国科学院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心、神经科学国家重点实验室蔡时青研究组题为《胶质细胞-神经元信号的遗传多态性调节衰老速度》的研究工作。（http://nature.com/articles/doi:10.1038/nature24463）
这项研究是如何进行，又有何意义呢？研究组成员们在科学大院为大家呈上深度解读。
人为什么会衰老？人类的寿命有没有极限？为什么我和隔壁的她同龄，她看起来却比我年轻得多呢？
带着这些问题，人们一直在探索关于“衰老”的奥秘。
古代的帝王贵族就曾投入了不计其数的金钱、人力来抵抗衰老甚至死亡，比如《史记》中就记载了秦始皇为求长生不老药，派徐福东渡的故事。
除了帝王贵族，想要揭开衰老的神秘面纱的，还有生物学家们。由于衰老的原因复杂，科学家们提出了多种衰老假说[1]，包括氧化自由基损伤假说、端粒假说、差误蛋白质合成假说、基因突变累积假说、内分泌假说、代谢速度假说，试图从不同方面来解释衰老，但遗憾的是，这些学说往往只能解释部分衰老现象。
图1 黄色荧光区域就是端粒。端粒假说认为，在细胞分裂过程中，位于染色体末端的端粒逐渐缩短，当端粒长度缩短到一定阈值时，细胞就进入衰老过程。
基因时代的衰老研究
随着分子生物学的发展，衰老的研究进入了基因时代。
与其他生物学研究类似，衰老研究的进展也是在秀丽隐杆线虫、果蝇和小鼠等模式生物上取得的。
线虫是一种可以独立生活的微小动物，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。
图2 显微镜下的线虫
自1965年起，生物学家Sydney Brenner利用线虫作为模式生物研究发育生物学问题，线虫已被广泛应用于生物学研究的各个分支领域。因其遗传背景清楚和生活史短，线虫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]。
比如，1993年美国加州大学旧金山分校的Cynthia Kenyon教授实验室发现胰岛素样生长因子受体编码基因突变可以将线虫寿命延长一倍[3]。这是一个十分重要的发现，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的研究。随后的时间里，科学家陆续发现了上百个基因可以延长动物寿命[2, 4]。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。
从2万个基因中寻找个体间衰老差异的答案
衰老速度在个体之间存在显著差异，大部分人的行为和认知功能随衰老会逐渐退化，也有一些人在耄耋之年仍能保持较好的活力。这种现象提示研究人员，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。
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，但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，也就排除了环境因素对实验结果的影响，暗示遗传多样性才是导致这些野生型线虫衰老速度不同的重要原因。
但是，线虫基因组含有约20000个基因，如何在浩瀚的基因组中找到目标基因不是一件容易的事情。
研究人员设计了一个巧妙的实验：
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（图3）。
图3 RGBA-1基因的鉴定历程
发现一条新的调控健康衰老的信号通路
●一个新的神经肽基因的发现
这个调控衰老速度的基因组区域含有几十个基因，为了确认具体是哪个基因影响衰老速度，研究人员将这些基因一一替换为来自快速衰老线虫的相应基因，最终锁定了一个新的基因，研究人员将其命名为RGBA-1(regulatory-gene-for-behavioral-aging-1)。
进一步分析，研究人员发现，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。神经肽在体内含量低、作用广泛而又复杂，调节诸多生理功能，如痛觉、学习与记忆等。
为了确定RGBA-1是否真的可以产生神经肽，研究人员提取并鉴定了线虫体内成熟的神经肽。这是一个十分具有挑战性的工作，线虫体内有约250种神经肽，每种内源神经肽很可能含量极低。
研究人员采取了一个“笨”办法，即将线虫体内所有的内源活性神经肽全部提取出来，然后将这些成分逐步分离，再将每个成分富集起来，通过质谱方法，去鉴定分离的各组分中有没有RGBA-1制造的神经肽。
这个方案最后成功了，找到了来自于RGBA-1蛋白的神经肽，因此确认了RGBA-1确实是一个编码新的神经肽的基因。这是一个工作量巨大的实验，确定RGBA-1内源神经肽并测定其含量历时约一年时间。
●神经肽及其受体基因存在自然变异导致不同线虫衰老速度差异
神经肽发挥生物活性和功能需要通过作用于其效应蛋白即受体。
既然RGBA-1是新发现的神经肽，其受体是哪个蛋白质尚待鉴定，线虫体内含有数百个这样的受体基因，不过科研人员已经有一些预测，他们首先在线虫中已被预测可能是神经肽受体基因的蛋白中一一筛查，幸运的是，在28个这样的基因中他们找到了一个基因npr-28可能编码RGBA-1受体，并进一步确认NPR-28确实可以被RGBA-1神经肽激活。
这样一个全新的调控衰老的信号通路浮现在了科研人员的眼前。虽然发现的历程比较艰难，但这一发现令整个团队十分欣慰。
接下来，科研人员还想知道，为什么在不同野生线虫中，这样一个新的信号通路会产生如此大的衰老速度的差异。
为此，他们研究了神经肽和受体编码基因，结果发现，这两个基因DNA序列在不同野生线虫体内存在自然变异，即这两个基因在不同线虫中DNA序列有不同的存在形式。
那么，这些序列差异是否就是导致野生型线虫衰老速度差异的原因呢？
科研人员又利用基因编辑技术CRISPR-Cas9改造这些变异序列，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。
接下来，研究人员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。
他们发现，这一新的神经肽由神经组织里的胶质细胞释放，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，进而调控了线虫衰老速度。野生线虫间存在的RGBA-1和npr-28基因DNA多态性造成了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（图4）。
图4 衰老速度调控机制的模式图。
●衰老的进化分析
如同人们试图解释衰老的理论一样，进化生物学家也提出了关于衰老进化的理论[5]，主要有：
1. 突变累积理论（Mutation Accumulation Theory）：以Medawar为代表，该学说认为一些基因突变对于动物年轻时期无不利影响，而对于动物年老时会产生不利影响，这些对衰老有害的变异会一代代累积，进而影响衰老进程；
2. 拮抗基因多效性理论（Antagonistic Pleiotropy Theory）：Williams发展了以上学说，认为进化会选择对生物体早期生长发育和繁衍后代有利的基因突变，而这些基因突变在生殖期后则会加速生物体衰老；
3. 一次性躯体理论（The disposable soma theory），由Kirkwood和Holliday提出，该学说认为机体衰老过程中的损伤累积会使得动物抵抗能力下降或者修复能力退化，进而导致衰老。
然而，不同物种寿命差异很大，如线虫寿命只有3周，小鼠寿命为2年，大象寿命则长达80年，很显然以上进化理论均不能对此作出回答，因为以上的理论认为进化选择的基因会加快动物走向死亡，这说明动物在从低等向高等进化过程中，其衰老的进化可能还受其他因素的影响。
目前，线虫资源库已搜集了数百个来自世界不同地区的野生线虫品系，并且这些线虫的基因组都已被测序。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。
通过进一步分析，他们发现RGBA-1是新进化出现的基因，RGBA-1和npr-28基因所在基因组区域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，它将对物种有利的等位基因形式选择下来。上述结果提示，进化选择的基因可以延缓衰老或者延长动物寿命，或者二者兼而有之，这也为理解衰老进化提供了新认识。
●新发现的意义
随着人类预期寿命的普遍延长，老年人口快速增加。根据联合国人口统计数据，21世纪是人口老龄化最为严峻的时代，老年人口的数量增加已远远超过新生人口的数量增加，到2050年，全世界老年人口的数量将达20亿。
衰老伴随着行为和认知能力的退化，衰老也是许多疾病如神经退行性疾病、癌症、糖尿病等的最大风险因素。因此，如何延缓衰老相关的功能退化、预防和治疗老年性疾病已成为亟待解决、具有重要社会意义的科学问题。
蔡时青及团队关于衰老的这项研究，首次揭示了个体之间衰老速度差异的遗传基础，发现一条新的调控动物衰老的信号通路，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。
同时，如上文所说，这项研究也为理解衰老进化提供了新的认识，丰富了衰老进化理论。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，未来很有希望能够成为抗衰老的潜在靶点。可以说，这项工作从个体差异出发，为抗衰老研究提供了一个全新视角，后续研究还会进一步解析个体之间衰老差异，这将帮助我们系统地理解健康衰老的调控机制。
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. Ljubuncic, P. and A.Z. Reznick, The evolutionary theories of aging revisited--a mini-review. Gerontology, 2009. 55(2): p. 205-16.
（文章首发于科学大院，由中科院神经科学研究所供稿，转载请联系cas@cnic.cn）
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