文/陈根
DNA作为遗传信息的储存者，处在中心法则的起始环节，DNA的损伤和修复会直接影响细胞命运。其中，DNA损伤是DNA复制过程中发生的DNA核苷酸序列永久性改变，并导致遗传特征改变的现象。随着年龄的增长，细胞修复DNA的能力下降，从而导致损伤累积，最终导致细胞功能异常，修复能力不足，从而导致人体衰老直至死亡。
早在20多年前，哈佛大学的遗传学教授David Sinclair就提出了用DNA损伤来解释衰老的理论。这个理论曾遭受了很多质疑，不过，在今天，越来越多的研究已经证实了David Sinclair这个衰老理论，并且，David Sinclair的研究团队还揭示了一种新的方法可以逆转衰老。
衰老究竟是什么？
衰老令人难以理解。自然界几十亿年演化出的身体，为何会迎来衰老和死亡？整个20世纪，科学家都试图发现衰老的秘密。从遗传的角度来看，DNA作为遗传信息的载体，深刻影响着细胞命运和个体的生老病死。其中，表观遗传学对生物衰老的作用尤其明显。
顾名思义，表观遗传学把“表观”和“遗传”联系起来研究，代表一种在不改变基因组DNA序列的情况下调节基因组功能的可逆机制。比如，一个受精卵在持续分裂中产生形成人体的数十万亿个细胞，这些细胞的遗传物质DNA都来自同一个受精卵，差别极其微小，但这些细胞本身却承载了许多差异巨大的生物学功能。一对基因组DNA完全相同的同卵双胞胎，刚出生的时候从相貌到行为几乎没有差别，但伴随着成长发育和人生起伏，两者的差异会越来越明显。
早在2011年，研究人员就已经进行了这样的尝试：观察人类的衰老是否和人体表观遗传水平的变化有直接关系。结果发现，基因组DNA上数十个位置的甲基化和年龄相关，而其中区区三个位点的甲基化修饰水平就可以很好地预测人类个体的年龄。其中，DNA甲基化是一种生物过程，是DNA化学修饰的一种形式，能在不改变DNA序列的前提下改变 DNA 片段的活性、从而改变遗传表现，为表观遗传编码的一部分，是一种外遗传机制，对细胞的正常发育至关重要，
随后，研究人员又发现，如果在全基因组尺度上研究DNA甲基化和年龄的关系，还能进一步提高前者对后者的预测准确度。基于此，研究人员提出了“表观遗传时钟”的概念。研究人员认为，人类基因组DNA甲基化水平的持续变化，正反映了衰老的持续发生，这不仅仅体现在生理年龄的增加，还体现在健康状况的持续衰退，多种慢性疾病的逐渐发生，以及死亡率的持续提高。
今年1月，哈佛大学医学院David Sinclair实验室的一项研究为这个问题提供了另一个重要的解释视角。哈佛大学的研究人员认为，是DNA分子的随机断裂破坏了表观遗传修饰的稳定性，从而导致了生物的衰老。
具体来看，研究人员利用转基因技术在小鼠体内表达一个来自多头绒泡菌的核酸内切酶，它可以在小鼠基因组的20个特定位置上切割双链DNA，制造一个DNA断口。这种特殊的断口能够被及时修复，而不会引起DNA序列本身的变化，但却能够显著改变小鼠的表观遗传学特征，拨快了小鼠的表观遗传学时钟。
结果显示，这种特殊断口大大加快了小鼠各种生理指标的衰老过程，比如，体重下降，毛发变灰白，代谢率降低，驼背、骨密度降低，肌肉量和收缩能力下降，运动技能下降，认知功能受损等。
这项研究首次说明了扰乱生物的表观遗传学修饰本身就足以引发快速的衰老，给予科学家们一种全新的视角来理解衰老的发生。
逆转衰老的可能
实际上，我们的DNA总是不断受到攻击。平均来说，我们46条染色体中的每条在细胞每次复制DNA时都会以某种方式断裂，在我们的身体里，断裂次数每天超过2万亿。这仅仅是发生在复制过程中的断裂。另一些则是由自然辐射、环境中的化学物质以及我们所受的X射线和CT扫描造成的。如果我们没有办法及时修复我们的DNA，就会造成表观遗传学的改变，造成衰老。
不过，虽然哈佛大学的研究人员证实表观基因组能加速小鼠的衰老，但同时，科学家也发现这一进程是可以逆转的。打个比方，如果电脑软件崩溃，只需要重新启动就可以解决；而如果硬件受损，那就很难使它重新正常运作了。细胞运行也是如此。如果是基因突变导致细胞衰老，那么这一进程是不可逆的。而哈佛大学的研究人员认为，表观基因组的改变正是电脑软件的崩溃，换言之，衰老过程中细胞的“硬件”并未损坏，利用存储的基因副本，细胞可以重启工作进程。
为了实现这一构想，他们先是破坏了年轻小鼠的表观基因组。结果，在几周内，年轻小鼠就表现出了许多年老的特征。随后，研究人员通过基因治疗来使小鼠的表观基因组回归正常。
在治疗中，研究人员用到了3个基因，而这些基因在小鼠体内会促使细胞在表征上分化为肾脏细胞和表皮细胞。这些基因来自于一套被称为“山中四因子”的基因组，由诺奖得主山中伸弥（Shinya Yamanaka）于2006年发现。它可以使成年细胞恢复胚胎时期的干细胞形态，并开始不断分裂和分化。
通过这3个基因，小鼠细胞的表观基因组得到修复，它们的衰老时钟也回溯了约57%。研究人员表示，他们对这一方法的普遍性也感到惊讶。而迄今为止，他们在小鼠体内还没有发现一种无法逆转衰老进程的细胞。
事实上，在此前，科学家们对如何逆转衰老就已经有了一定的研究。2006年，日本科学家山中伸弥在《细胞》杂志发表论文，证明在已经完成分化、也就是已经从山顶跌落地面的细胞中，人为表达四个基因，分别是Oct4, Sox2，Klf4和c-Myc，简称OSKM，也被称为“山中因子”——这些细胞能被重新推上山顶，变成具备各种分化潜能的干细胞状态。
很快，有人开始在临床试验中尝试用这样的方法治疗疾病。原因很简单，原本可能需要做异体器官移植的患者，借用这项技术，就可以用自己的身体细胞，加上山中因子重新诱导回干细胞状态，再定向分化成需要的器官，进行移植就可以了。比如，2016年，美国索尔克研究所的Juan Carlos Izpisua Belmonte实验室就短暂地启动四个山中因子几天到十几天时间，结果发现，在实验过程中，山中因子不会导致肿瘤发生，反而会逆转小鼠身体细胞和多个器官的衰老，大大延长早衰症小鼠的寿命。
在2022年3月7日，同一个实验室的科学家们在《自然 衰老》杂志上发表了一篇新的论文，研究改了正常小鼠体内定期表达四个山中因子，并用了一系列别的方法来间接确认小鼠的衰老是否得到了逆转，比如身体细胞的基因表达和染色体DNA的状态被显著改善，结果发现，小鼠伤口愈合的能力得到了增强，小鼠的整体代谢状况也有改善，这些都是正常衰老中常见的问题。
NAD+能修复DNA吗？
面对表观基因组回归正常的问题，除了基因编辑技术外，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)相关药物也获得了越来越多的关注。
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)作为具有通用功能的辅酶，几乎参与了所有能量代谢。除作为循环使用的递电子体，作为被消耗的供体/底物，NAD+参与sirtuins活化、NADPH合成、PARPs激活等途径，发挥从组蛋白修饰到DNA修复的诸多作用。此前，来自辛克莱、哈佛医学院和新南威尔士大学的一组研究人员在《科学》杂志上的文章中，发表了对NAD+分子的研究，结果显示，这种分子能够阻断一种抑制人体自然修复DNA能力的蛋白质。
一方面，NAD+可以作为底物通过PARP参与DNA修复。NAD+参与DNA修复，主要因为它是聚ADP核糖聚合酶（PARP）的底物，PARP家族中PARP-1、PARP-2和PARP-3参与DNA修复。有了NAD+， PARP才能发挥相应作用。而PARP也是细胞中NAD+主要的消耗者之一，被PARP用完的NAD+变成了烟酰胺NAM，随后汇入补救途径，在NAMPT、NMNAT等酶的帮助下再次合成NAD+。在DNA修复过程中，大量NAD+通过补救途径合成，以维持供需平衡。
另一方面，NAD+可以作为底物通过Sirtuins参与DNA修复。Sirtuins是七种蛋白质的家族，在细胞健康中发挥作用。Sirtuins是一种从细菌到人类高度保守的去乙酰化酶（HDAC）类。这类HDAC的显著特点是酶的催化活性取决于NAD+，并受NAD+/NADH比的动态变化调节。
乙酰化是一种蛋白质的翻译后修饰，它可以影响蛋白质的催化活性、稳定性以及与其它蛋白质或染色质结合的能力。Sirtuins可以使组蛋白、一些转录因子和胞质内的蛋白去乙酰化，从而调控它们的功能，但Sirtuins仅在所有活细胞中的辅酶NAD+存在下才能发挥作用。
人们认为，与年龄相关的DNA修复能力下降会导致损伤积累增加，进而导致细胞衰老。Sirtuins对于DNA修复、控制炎症和抗氧化防御必不可少，这使其成为良好的抗衰老靶点。基于此，NAD+的水平将会成为修复DNA抗衰老的重要因素。这也为科学家们提供了更多关于衰老研究的视角。
就目前来说，我们都会衰老，都会死亡，但人们正在进行一场更广泛的抗衰老运动，声势与日俱增。可以确定的是，在科技与现代医学的深入下，衰老一定会被克服。或许，逆转衰老比我们想象的更近。
