“不老药”的前世今生系列 之 核的力量

细胞核与人类的发育和衰老关系密切

在真核生物中，我直径约为10-100μm不等，但是不要因为我个头小，就小瞧我。你们人类不是经常说“麻雀虽小、五脏俱全”吗？其实，我的身体也包含有很多重要的“器官”，比如核膜（Nuclear membrane）、核纤层（Lamina）、染色质（Chromatin）、核仁（Nucleoli）等。其中，核膜就好像你们人类身体表面的皮肤一样，发挥着非常重要的作用。一方面，它会将遗传物质DNA限定在一个相对封闭的区域内，这对于维持基因组的完整性和遗传的稳定，以及基因转录调控的精密性至关重要。另一方面，核膜还是控制细胞核和细胞质之间信息与物质交流的重要关卡。此外，核膜与细胞分裂等重要的细胞活动也密切相关。北京大学的Chuanmao Zhang课题组对于这些方面就有深入的研究。

细胞核的结构

Lanctôt., et al. Nat Rev Genet, 2007, 8(2):104-15.

经过人类的不懈探索，发现核纤层是我的“骨架”。它普遍存在于高等真核细胞，是一种存在于内层核膜和外围异染色质之间的“纱窗样”的纤维网状结构。千万别认为它作为一种结构蛋白仅仅起到骨架以及支撑我身体的作用。事实上，核纤层蛋白具有多种重要的生物学功能。核纤层可以通过与染色质的直接相互作用或通过与染色质调节元件的相互作用，直接或间接地调节染色质的拓扑结构和组织，从而起到了基因的表达调控的功能；核纤层还可以调控转录因子在细胞核中的空间定位，通过“隔离”和“释放”转录因子从而调节基因表达；此外，核纤层提供了用于装配参与信号转导途径的蛋白质复合物的平台；最后，核纤层还密切参与到DNA的复制、有丝分裂、DNA的损伤修复等重要的生理过程。

核纤层是紧贴在核膜下方的纱窗样网状结构

Aebi., et al. Nature, 1986, 323:560-564.

人类之所以认为核纤层重要，就是因为核纤层蛋白及其相互作用的内核膜蛋白稍有差池（发生突变）便会引起很多疾病的发生，这些疾病被统称为核纤层蛋白病（Laminopathy）。这些疾病中最复杂、研究最透彻的就是Lamin A突变所引起的一系列疾病，其中又以人类加速衰老性疾病儿童早衰症（Hutchinson-Gilford progeria syndrome, HGPS）最具有代表性。

来自世界各国的儿童早衰症患者

儿童早衰症是英国外科医生Hutchinson于1886年首先报道的一种极其罕见的常染色体显性疾病，其发病率约为1/8000,000。儿童早衰症患者自婴儿期开始出现加速衰老的特征，包括心血管功能的紊乱、皮下脂肪的缺少、骨质疏松、关节炎、脱发等。儿童早衰症患者的平均寿命约为13岁，几乎都死于动脉粥样硬化并发的心血管疾病。

儿童早衰症患者（左）；

儿童早衰症伴随着细胞核异常（右）

Scaffidi., et al. PLoS Biol, 2005, 3(11):e395.

虽然，儿童早衰症早在1886年就被报道，但其致病分子基础并不清楚。直到2003年，美国国立卫生研究院（NIH）的Francis Collins研究组和法国国家健康与医学研究院的（Inserm）的Nicolas Levy研究组在Nature和Science杂志上同时报道了LMNA的基因的突变是导致早衰症的重要原因。经典的LMNA第1824位碱基发生替代性点突变（C1824T）导致的G608G突变会引起核纤层蛋白前体（Prelamin A）的异常剪切，从而产生缺失50个氨基酸的截短体Lamin A，被称为早老素（Progerin）。Progerin的累积会引起细胞核膜结构和功能的异常并引起细胞及机体的加速衰老。

Günter Blobel是Lamin的发现者并获得1999年诺贝尔生理学医学奖（左），美国国立卫生研究院（NIH）的Francis Collins（中）和法国国家健康与医学研究院的（Inserm）的Nicolas Levy（右）

Sandre-Giovannoli., et al. Science, 2003, 300(5628):2055;

Eriksson., et al. Nature, 2003, 423:293-298.

2004年，Francis Collins研究组的Robert Goldman等进一步的研究发现， HGPS成纤维细胞的细胞核形状会发生显著的变化，这些结构缺陷主要包括细胞核膜的崩解、核孔的异常聚集以及核膜下异染色质的损失，并发现在体外培养的过程中HGPS的细胞核缺陷会进一步恶化和加剧。

Goldman., et al. PNAS, 2004, 101(24):8963-8

由于HGPS病例极为罕见，获得如此罕见的临床样品并基于此开展衰老生物学研究极为困难。人诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cell, iPSCs）技术为衰老生物学研究带来了福音。2011年，Guanghui Liu等率先建立了HGPS的iPSC，并发现体细胞重编程能够拨回HGPS细胞衰老的时钟。结合定向分化技术，他们又基于HGPS的iPSC建立了人类血管衰老的研究模型。研究表明，HGPS病人来源的血管平滑肌细胞表现出细胞核皱缩、异染色质损失、衰老相关的β半乳糖苷酶（SA-β-Gal）活性增加、端粒损耗等衰老相关表征。当Progerin表达被敲减后，病人来源的血管平滑肌细胞则不再呈现出加速衰老的特征。

Liu., et al. Nature, 2011. 472(7342): 221-225.

此外，Guanghui Liu等还利用基因编辑技术HGPS的iPSC中矫正了Lamin A基因的致病突变，为研究和治疗儿童早衰症和其他核纤层疾病提供了线索。

Liu., et al. Cell Stem Cell, 2011, 8(6):688-94.

2005年，Haithcock等在PNAS杂志上报道了基于模式生物线虫的研究结果，研究表明在生理性衰老的线虫中，细胞核膜会发生明显的皱缩同时表现为异染色质的损失。

Haithcock., et al. PNAS, 2005, 102(46):16690-5.

美国卡内基研究所Yixian Zheng研究组，对生理性衰老的果蝇的免疫器官脂肪体进行研究发现，果蝇衰老过程中其脂肪体细胞中的B型核纤层蛋白会逐渐减少。该研究表明，免疫器官的衰老可能与B型核纤层蛋白水平降低有关。

Haiyang., et al. Cell, 2014; 159 (4): 829. 

2006年，Tom Misteli研究组在生理衰老的人类皮肤成纤维细胞中也发现了早衰蛋白Progerin的逐渐累积。而且，这种累积伴随着与HGPS相似的核膜结构异常、内层核膜蛋白和异染色质的丢失。该研究证实了，Progerin的积累和核膜结构的异常不仅是早衰症的重要诱因，也与人类生理性衰老密切相关。

Scaffidi., et al. Science, 2006, 312(5776):1059-63.

此外，2010年Ragnauth等在Circulation杂志上发表的研究显示，老年人的血管平滑肌细胞表现出prelamin A快速积累与核形态学缺陷。而且，老年个体动脉粥样硬化斑块区域和prelamin A积聚区域有很好的的共同定位，表明prelamin A可能是血管平滑肌衰老的生物标志物。

Ragnauth., et al. Circulation, 2010, 121(20):2200-10.

帕金森氏症（Parkinson’s disease, PD）是与衰老密切相关的人类神经系统退行性疾病，其中富亮氨酸重复激酶2 (Leucine-rich repeat kinase 2 gene, LRRK2)是最为常见的导致家族型PD的显性突变基因。2012年，Guanghui Liu等利用体细胞重编程技术获得了携带LRRK2（G2019S）基因突变的人类神经前体细胞。这些神经前体细胞的细胞核膜表现出形态学的异常。进一步对PD患者的海马区组织切片检测发现，PD患者病脑的神经前体细胞聚集区也可见这种核膜结构的异常。

Liu., et al. Nature, 2012, 491(7425):603-7.

2014年，Tsika等建立了多巴胺能神经元特异表达人类LRRK2突变的帕金森氏症转基因小鼠。研究发现携带LRRK2突变小鼠的黑质多巴胺能神经元表现出明显的核膜的异常。

Tsika., et al. Neurobiol Dis, 2014, 71:345-58.

Werner综合征（Werner Syndrome，WS）又被成为“成年早衰症”，是由WRN基因突变所引起的人类早老性疾病。2015年，Weiqi Zhang等通过基因组靶向编辑技术在人间充质干细胞（MSC）中成功的敲除了WRN基因，从而建立了成年早衰症的干细胞研究模型。基于该早衰模型的研究发现，成年早衰症MSC也会表现出一系列衰老相关的细胞核缺陷，包括：细胞核体积变大，核膜结构异常、内层核膜蛋白以及核周异染色质的加速损失等。

Zhang., et al. Science, 2015, 348(6239):1160-3.

研究表明，Progerin无法去法尼基化是导致其永久锚定在核膜，破坏正常的核骨架，从而引起HGPS细胞衰老表型的重要原因。因此，阻止法尼基化可以减少Progerin毒性。2005年，Capell等的研究表明法尼基转移酶抑制剂（FTIs）可以有效减少Progerin的法尼基化，从而逆转HGPS成纤维细胞的核结构异常。

Capell., et al. PNAS, 2005, 102(36):12879-84.

金属蛋白内切酶Zmpste24是负责Lamin A成熟的最关键的酶。Carlos López-Otín研究组建立了Zmpste24缺失的小鼠，Zmpste24的缺失会导致Prelamin A的累积。Zmpste24缺失的小鼠表现为生长严重迟缓，过早死亡以及毛发减少、骨质疏松、扩张型心肌病、肌营养不良等类似于HGPS的加速衰老特征。

Pendás., et al. Nat Genet, 2002, 31(1):94-9.

香港大学Zhongjun Zhou研究组的研究结果表明，白藜芦醇（Resveratrol）可以通过核纤层蛋白Lamin A有效激活长寿基因SIRT1，刺激干细胞自我更新，抑制Zmpste24-/-早衰小鼠成体干细胞的加速耗竭，从而延长早衰小鼠的寿命。

Liu., et al. Cell Metab, 2012, 16(6):738-50. 

2011年，Kan Cao等报道了雷帕霉素可以抑制HGPS成纤维细胞的早衰表型。雷帕霉素的处理缓解了细胞核的结构的紊乱，提高了progerin的可溶性，还促进了细胞通过自噬机制清除progerin，使得progerin致病蛋白的数量下降了50％。

Cao., et al. Sci Transl Med, 2011, 3(89):89ra58.

英国剑桥大学的戈登研究所、桑格研究所和法国国家科学研究中心（CNRS）的天然物质化学研究所的研究人员于2014年5月发表在Science上的合作研究发现，小分子Remodelin，即KAT抑制剂4-（4-氯苯基）-2-（2-环亚戊基肼基）噻唑的类似物可以靶向乙酰转移酶蛋白NAT10（N-acetyltransferase 10），从而矫正了HGPS相关的细胞缺陷。在Remodelin处理下的HGPS细胞核形状能够基本恢复正常。

Larrieu., et al. Science, 2014, 344(6183):527-532. 

2016年6月，美国国立卫生研究院的Tom Misteli研究组和中国科学院生物物理研究所的Guanghui Liu研究组发表的合作研究表明， NRF2抗氧化信号通路的异常是HGPS加速衰老的驱动机制，并发现FDA批准的NRF2激动剂奥替普拉（Oltipraz）可以逆转HGPS充质干细胞加速衰老的表型，并能延缓其在体内的耗竭速度。

Kubben., et al. Cell, 2016,165:1361-1374.

根据Progeria Research Foundation的权威报道，目前已经通过临床验证可以用于HGPS治疗的药物叫做Lonafarnib。这是一种FTI抑制剂，早先被应用于肿瘤的治疗。Lonafarnib的临床实验开始于2007年，PNAS杂志于2012年发表了这项为期5年的研究。该研究结果表明，接受Lonafarnib治疗的HGPS儿童都有不同程度的症状缓解，其中包括至关重要的血管弹性改善以及骨骼硬度和体重的增加。2014年5月的进一步研究表明，接受Lonafarnib治疗可以使HGPS儿童平均寿命延长1.6年。这些激动人心的结果可能使得Lonafarnib成为第一个用于治疗HGPS的药物。

Gordon., et al. PNAS, 2012, 109(41):16666-71.

上述的系列研究表明，细胞核对于维持遗传和表观遗传稳定性至关重要。一方面，细胞核可以作为基因组DNA的“储库”，捍卫着关键的遗传信息，维持着遗传的稳定性。另一方面，细胞核对于表观遗传调控也具有重要的作用。既然研究提示衰老的细胞可能在表观遗传水平被重编程，那么能否通过靶向细胞核结构以实现“延缓衰老”的梦想？让我们拭目以待吧！

核纤层与衰老研究的代表性事件