撰文 | 向日葵
眾所周知，許多幹預措施可以延長哺乳動物的壽命，包括藥物、飲食和基因操作。例如：Rapamycin（雷帕黴素）和17-a-estradiol（雌二醇），CR（飲食卡路里限制）和MR（蛋氨酸限制），GHR（生長激素受體）敲除等條件處理，都會延長壽命【1-3】。然而，目前對壽命控制的分子基礎缺乏系統的認識。採用轉錄組學、代謝組學或表觀基因組學的高通量分析已廣泛用於評估界定衰老過程的系統效應【4,5】。目前，有些特定延長壽命的干預措施在分子層面上進行了分析，然而，對於個別特定干預措施的研究並不能使我們得出延長壽命的共同模式。
近日，來自美國哈佛醫學院的Vadim N. Gladyshev團隊在Cell Metabolism上發表了題為：Identification and Application of Gene Expression Signatures Associated with Lifespan Extension的研究成果，研究人員對8種長壽干預的小鼠進行了RNA-seq分析，發現雌性化效應與生長激素調節和雌雄性別相關差異的減少有關。
進一步，研究人員將這一分析擴展到17種延長壽命干預措施的公共數據，非常有意思的是，不同種類的干預都會誘導相同的與壽命相關的基因表達變化。不同干預措施都會表現出與延長壽命有關的肝基因特徵，包括氧化磷酸化和藥物代謝的上調。這些長壽特徵的發現可以用來找尋新的延長壽命的干預措施，例如慢性缺氧、KU-0063794和抗壞血酸棕櫚酸酯。研究人員還開發了GENtervention，這款app能夠可視化基因表達變化與壽命之間的關係。
為了系統性研究控制長壽的分子基礎，研究者對78只年輕的成年鼠進行了8種干預來建立不同延長壽命的模型，包括acarbose（阿卡波糖）、17-a-estradiol、Rapamycin、Protandim、飲食卡路里限制 (40%) 、蛋氨酸限制 (0.12%) 、GHR敲除和Pit1敲除 (Snell侏儒小鼠) 。除了蛋氨酸限制在2個月大的C57BL6/J小鼠上進行的，其他所有化合物和飲食處理在4個月大的基因異質性的UM-HET3小鼠上開始干預試驗計劃研究。然後，研究人員對這些小鼠的肝臟樣本進行RNA-seq檢測，並用性別和年齡匹配的同一窩出生的鼠作為對照。非常有意思的是，研究人員發現在延長壽命干預措施的作用下，雌性化效應廣泛出現。換句話說，雌性特異性基因的表達水平顯著升高，雄性特異性基因的表達水平顯著降低的現象在延長壽命的干預措施中廣泛存在（圖1）。
圖1：延長壽命干預措施的雌性化效應
有趣的是，通過應用基因集富集分析 (GSEA) ，研究人員發現了不同干預手段共有的分子通路，氧化磷酸化普遍上調，其他共同的上調功能包括TCA循環、核糖體和與年齡相關疾病(帕金森和亨廷頓氏症)相關的基因（圖2）。通過轉錄因子富集分析，研究人員證明不同延長壽命干預措施都會激活與葡萄糖敏感性相關的受體以及甾醇代謝相關轉錄因子，如糖皮質激素受體NR3C1以及甾醇調節元件結合轉錄因子SREBP-1。
接下來，研究人員通過聚合有關長壽干預措施的公共微陣列數據來擴展他們的數據。整合後的數據集包括來自22個不同來源的17項干預措施和77項對照干預措施，重要的是，研究人員分析的干預措施涵蓋了各種類型的長壽干預手段，即飲食、基因(突變和過表達)和藥理學。驚奇的是，研究人員觀察到不同干預措施的聚合基因表達變化之間存在正Spearman相關性。
圖2：不同干預措施表現出相似分子通路水平和轉錄調控
研究人員進一步的目標是發現基因普遍上調或下調的基因，可以作為一個壽命延長的“必要的”特徵和定性預測因素。有意思的是，最顯著的普遍上調基因之一是Cth，Cth編碼半胱氨酸裂解酶，參與谷胱甘肽的合成和H2S的生成
(圖3) 。另外共同上調基因的有Brca1, Gstt2, Gsto1和Gsta4等。為了識別與共同上調和下調基因特徵相關的通路，研究人員對變化的基因進行了功能性GSEA分析。最顯著的上調功能包括細胞色素P450的藥物代謝和NRF2通路激活的谷胱甘肽代謝，以及核糖體、氧化磷酸化、TCA循環和氨基酸代謝。下調功能包括原發性免疫缺陷、RNA聚合酶和tRNA代謝過程。
除此之外，一些與年齡相關的疾病，在分子水平的變化與年齡相關，如阿爾茨海默氏病、帕金森病和亨廷頓氏病，在長壽模型裡富集，指出了老齡化引起的變化與長壽干預之間的聯繫。
最後，研究人員證明這些 “長壽特徵”可以在基因表達水平上用來預測新的長壽干預措施，例如研究人員預測到慢性缺氧、KU-0063794和抗壞血酸棕櫚酸酯會延長壽命。此外，研究人員開發了一個公共可用的app，GENtervention，能夠可視化基因表達變化與壽命之間的關係，用來找尋新的延長壽命的干預措施 。
圖3：特定基因表達變化與干預措施的壽命延長有關
圖4：與壽命延長有關的基因表達特徵的鑑定與應用
總的來說，通過系統性綜合分析現有延長壽命的干預措施及其對小鼠肝臟基因表達的影響，研究者發現一些特定基因表達模式與壽命有關，而與干預類型無關。例如不同干預措施都會表現出與延長壽命有關的特徵，包括氧化磷酸化和藥物代謝的上調。這些“壽命特徵”可以用來預測開發延長壽命的策略。這為以後我們探索延緩衰老，使人類壽命最大化提供了非常有價值的理論依據。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2019.06.018
製版人：珂
參考文獻
1.Harrison, D.E., et al., Rapamycin fed late in life extends lifespan in genetically heterogeneous mice.Nature, 2009. 460(7253): p. 392-5.
2.Harrison, D.E., et al., Acarbose, 17-alpha-estradiol, and nordihydroguaiaretic acid extend mouse lifespan preferentially in males. Aging Cell, 2014. 13(2): p. 273-82.
3.Fontana, L., L. Partridge, and V.D. Longo, Extending healthy life span--from yeast to humans. Science, 2010. 328(5976): p. 321-6.
4.Zhou, B., et al., Midlife gene expressions identify modulators of aging through dietary interventions.Proc Natl Acad Sci U S A, 2012. 109(19): p. E1201-9.
5.Fushan, A.A., et al., Gene expression defines natural changes in mammalian lifespan. Aging Cell, 2015. 14(3): p. 352-65.
閱讀更多 BioArt 的文章
