文献解读 | 通过重编程让视网膜神经节细胞返老还童，可恢复视力
小燕子
衰老的和受损的细胞还记得年轻时的样子吗？在一项新的研究中，来自美国哈佛医学院的研究人员对小鼠眼睛中的神经元进行重编程，使得它们更能抵抗损伤，并且能够像年轻小鼠中的细胞一样在遭受损伤后再生。这项研究表明，衰老的标志和潜在逆转它的关键在于表观基因组（epigenome），即修饰DNA并影响哪些基因开启或关闭的蛋白和其他化合物。
相关研究结果发表在2020年12月3日的Nature期刊上，论文标题为“Reprogramming to recover youthful epigenetic information and restore vision”。
德国德累斯顿工业大学再生生物学家Maximina Yun（未参与这项研究）说，衰老细胞持有它们年轻时的表观基因组的记忆的想法“是极其激动人心的”。她补充道，这项新的研究“支持了这个想法，但是尚不能证实这一点”。她说，如果科学家们能够在其他动物中重现这些结果并揭示它们的机制，那么这项研究可能有助于治疗人类眼部和其他身体部位中与年龄相关的疾病。
恢复小鼠的视力。图片来自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2975-4。
表观遗传因子影响着我们的代谢，我们对各种疾病的易感性，甚至是情感创伤在世代中传递的方式。论文通讯作者、哈佛医学院分子生物学家David Sinclair长期以来一直在寻找抗衰老策略，他也在表观遗传组中寻找衰老的迹象。
他说，“最大的问题是，是否存在复位按钮？细胞会知道如何变得更年轻、更健康吗？”
在这项新的研究中，Sinclair和他的合作者们想要通过插入编码“重编程因子”的基因来使细胞恢复青春，其中这些重编程因子可以调节基因表达。该团队选择了科学家们10多年来使用的将成体细胞变成类似于胚胎干细胞的诱导性多能干细胞（ipsC）的四种重编程因子（c-Myc、Klf4、Sox2和Oct-3/4）中的三种：Oct4 (也称为Pou5f1)、Sox2和Klf4。（将动物暴露在所有这四种重编程因子中会导致肿瘤）。
该团队特别关注眼睛后部的神经元，即视网膜神经节细胞（retinal ganglion cell）。这些细胞使用称为轴突（axon）的长卷须结构将来自光敏感的感光细胞的信息传递给大脑，这些轴突构成了视神经。在这些细胞中，年轻和衰老之间有明显的区别：如果视神经被切断，胚胎小鼠或新生小鼠可以再生它，但这种能力会随着时间的推移而消失。
为了测试他们的治疗是否能让小鼠恢复一些神经可塑性，Sinclair和同事们用镊子破坏了它们的视神经，并将一种无害的携带三种重编程因子基因的病毒注入它们的眼睛。他们报告说，这种注射阻止一些受损的视网膜神经节细胞死亡，甚至促使一些细胞长出新的轴突延伸到大脑。
当这些研究人员观察甲基化模式--称为甲基基团的化学标签在DNA上的位置，可调节基因表达---时，他们发现这种损伤引起的变化与衰老的小鼠细胞相似。在基因组的某些部分，这种治疗可以逆转这些变化。他们还发现，这些引入的基因发挥的益处取决于这些细胞改变它们的甲基化模式的能力：缺乏从DNA中移除甲基基团所需的某些酶的小鼠并没有从这种治疗中受益。
加拿大麦吉尔大学视觉神经科学家Leonard Levin（未参与这项研究）说，“这真的很特别。”这些实验表明这些广为人所知的经过精心研究的重编程因子是如何修复细胞的。他说，但是，一些大的问题依然存在：这些因子如何导致甲基基团被添加或移除？这个过程是如何帮助视网膜神经节细胞的？
Sinclair团队还在患有一种类似青光眼的疾病的小鼠中测试了这种方法。青光眼是人类年龄相关性失明的主要原因。在青光眼中，视神经会受损，这通常是由眼睛中的压力堆积而导致的。Sinclair和他的同事们将微小的珠子注射到这些小鼠的眼睛里，阻止正常的排水和增加眼睛中的压力，从而让视网膜神经节细胞遭受损伤。
在4周后，这些小鼠的视敏度（visual acuity，又称视力）已经下降了约25%，这是通过一项视觉测试得出的结果。在这项测试中，这些小鼠通过移动头部来跟踪电脑显示器上显示的竖条的运动。但是经过这种基因治疗后，它们的视力恢复了大约一半---这是首次证实它们在遭受这种类似青光眼的损伤后恢复视力。
Levin指出，不过，视力的改善还是较小。他说，这些接受治疗的小鼠在治疗前处于相对早期的损伤阶段，而不是青光眼患者在多年不治疗后会经历的近乎或完全失明的状态。因此，说这种方法是否能使视力丧失的人受益还为时过早。Levin补充说，对于早期青光眼，已经有“非常好的治疗方法”，可以通过药物眼药水或手术降低眼压来阻止视力下降。
在最后一组实验中，Sinclair及其同事们将这些重编程因子基因注入1岁健康小鼠（大约相当于小鼠的中年）的眼睛中。在这个阶段，这些小鼠的视力得分比5个月大的小鼠低15%左右。治疗4周后，年老小鼠的视力得分与年轻小鼠相似。在它们的细胞中，这些研究人员观察到与年轻小鼠相似的DNA甲基化和基因表达的模式。
Sinclair说，在这三组实验中，视网膜神经节细胞似乎通过这些重编程因子基因的表达以匹配年轻的状态来对它们编码的重编程因子作出反应。他认为这种行为提示着细胞会保留它们过去的表观遗传记录，尽管目前还不清楚这种记录是如何储存的。作为Sinclair联合创办的一家公司，Life Biosciences正在开发包括青光眼在内的衰老相关性疾病的治疗方法。他说，他如今计划在大型动物身上测试这种基因疗法的安全性。
Yun说，作为一种逆转衰老或治疗疾病的策略，重置表观基因组“是一种非常困难的策略”。将细胞重编程到较早的状态，有促使细胞不受控制地生长和导致癌症产生的风险。她说，未来的研究应该测试这三种重编程因子如何影响其他类型的细胞和组织，并确认遭受重编程的细胞长期保持年轻状态。她补充道，“还有很多路要走。”
参考资料：
1.Yuancheng Lu et al. Reprogramming to recover youthful epigenetic information and restore vision. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2975-4.
2.Researchers restore lost sight in mice, offering clues to reversing aging
https://www.sciencemag.org/news/2020/12/researchers-restore-lost-sight-mice-offering-clues-reversing-aging
3.Sight restored by turning back the epigenetic clock
https://www.nature.com/articles/d41586-020-03119-1