“不老药”的前世今生系列之调节寿命的暗物质

赛先生 · 公众号 · 科学 · 2016-11-22 07:13

正文

暗物质(Dark Matter) 比电子和光子还要小，是宇宙中无法被直接观测的物质。2007年，美国加州理工学院的天文学教授Richard Massey等研究者利用哈勃望远镜首次绘制了浩瀚宇宙中暗物质的三维分布图，并证明暗物质是恒星和星系所赖以支撑的框架。同年，美国好莱坞拍摄了电影《暗物质》，其中不乏刘烨、梅丽尔•斯特里普和艾丹•奎因等大牌影星，说明对暗物质的好奇和兴趣已不仅仅局限于科学界。由此可见，被称为21世纪初最大科学谜团的暗物质，的确实至名归。殊不知，一群被称为“非编码RNA”的“暗物质”也存在于浩瀚的人类基因组中，同样深深困惑着遗传学家和分子生物学家。“非编码RNA”作为基因组的暗物质，在调节机体发育、衰老和疾病等多种生命活动中都发挥着极为重要的作用。本期“醉心科学”科普团队将和大家一起走进生命“暗物质”的神奇世界。

撰文

丽萍、若通

基因组“暗物质”的发现历程

DNA双螺旋结构模型奠定了现代分子生物学的基础，同时也帮助遗传学实现了向分子遗传学的历史性跨越，而此后随着中心法则的提出和遗传密码的破译，人们已经不再满足于单纯探索基因如何调控生命进程，更想要循着造物主的轨迹，雄心勃勃地开始尝试人工操纵基因，以实现健康和长寿的梦想。然而，科学家们发现要想彻底解开肿瘤和衰老等人类生命现象的谜题，首先要做的就是彻底掌握人类自身的遗传信息。1985年，美国科学家率先提出了人类基因组计划（Human genome project, HGP），并由美国、英国、法国、德国、日本和中国科学家最终于2003年完成，获得了包含人体2.5万个基因的30亿个碱基对的人类基因组草图。

DNA双螺旋发现者沃森和克里克（左）；人类基因组计划启动前，纽约冷泉港实验室举行的班伯里会议（右）

人类基因组草图的绘制完成，极大地帮助了科学家们认识疾病的基因根源，让人们看到了攻克遗传性疾病和肿瘤，以及实现健康长寿的希望。然而，在利用人类基因组草图探索基因功能的过程中，科学家发现人类基因组中超过95%的区域是不编码蛋白质的“非编码”区域，而且随着生物进化复杂程度的提高，基因组中“非编码”区域所占的比例也越来越大。在人类基因组所转录的总RNA中，非编码RNA（non-coding RNA， ncRNA）所占比例高达98%，无愧被称为生命的“暗物质”。此外，随着分子生物学和生物信息学等学科和技术的蓬勃发展，人们发现编码生命活动信息的模式远比“中心法则”要复杂的多。过去被认为由基因组中“垃圾序列”转录而成的非编码RNA，其实广泛参与了染色质结构变化、转录调节、转录后加工修饰、蛋白质识别，以及细胞核内外信号交流等多种细胞生理活动，是发育和衰老等生命过程的关键调控者。

Alexander Huttenhofer, et al. Trends in Genetics Vol.21 No.5 May 2005

近年来被研究最多的非编码RNA是微小RNA（microRNA, 简称miRNA）和长链非编码RNA（long non-coding RNA, 简称LncRNA），它们都属于调节型非编码RNA，在器官发育、组织修复、免疫、肿瘤以及衰老等过程中都发挥着重要的作用。miRNA是一类功能相对保守的内源性非编码RNA，由17-25个核苷酸组成，能够在转录和转录后水平实现对靶基因的表达调控，进而广泛参与真核生物的发育、代谢、细胞凋亡、肿瘤发生及衰老等复杂的生理和病理过程。第一个被称为lin-4的miRNA，是由miRNA领域的鼻祖Ambros教授于1993年在线虫中发现的。2001年Ambros、Bartel和Tuschl领导的三个实验室同时在《Science》杂志上报道了其在线虫、果蝇和哺乳动物细胞中发现的一系列miRNA。自此，miRNA研究在全球便如火如荼地开展起来，而miRNA的发现也被评为2002年度Science十大科学突破之首，并于2008年荣获具有“诺贝尔奖风向标”美誉的拉斯克奖。

2002年，microRNA的发现获评Science年度十大突破之首；2008年，microRNA的发现和功能研究荣获素有“诺贝尔奖风向标”之称的拉斯克奖

相比于miRNA，目前人们对LncRNA的研究还尚未深入全面。然而， LncRNA对机体发育、衰老和疾病的调控作用已经引起越来越多研究人员的重视。LncRNA通常是指长度超过200个碱基的非编码RNA。与miRNA相比，LncRNA既能够抑制蛋白表达，也能够激活基因的转录；也能够像蛋白质那样，与DNA，RNA和蛋白质等大分子发生相互作用进而发挥其调节功能。因此LncRNA对生命活动的调节作用可能更广泛，其生物学意义也可能更加深远。

非编码RNA（如miRNA）的发现及研究的代表性事件

目前，越来越多的研究证据表明，miRNA和LncRNA等非编码RNA都与人类重要疾病密切相关。尽管非编码RNA研究领域已经建立了包括NONCODE（由中国科学院生物物理研究所陈润生院士研究团队建立）在内的多个非编码RNA大型数据库，但是发现和阐明新的非编码RNA的功能仍然是该领域的重点和难点。正如陈润生院士所说，目前对非编码RNA尤其是LncRNA的研究还任重道远，而如果对占人类基因组98%的非编码区的认识和研究不够，则当下提出的精准医疗所需的大数据目标就无从谈起。

NONCODE数据库

调控衰老的“暗物质”

在衰老研究领域，科学家们已经总结出衰老的九大标志性特征，包括基因组不稳定性、端粒缩短、表观遗传改变、蛋白稳态失衡以及线粒体功能异常等。随着非编码RNA领域研究的深入，针对上述衰老的诱因，也提出了一系列miRNA和lncRNA与之一一对应，其中以miRNA对衰老进程的调控机制研究得更为明晰。

Carlos López-Otín, et al. The hallmarks of aging. Cell, 2013, 153:1194-1217.（左）; Xurde M. Caravia and Carlos López-Otín, Regulatory Roles of miRNAs in Aging. Adv Exp Med Biol. 2015; 887:213-30.（中）; Ioannis Grammatikakis, et al. Long noncoding RNAs (lncRNAs) and the molecular hallmarks of aging. Aging, 2014, 6(12):992-1009. （右）

作为最早被发现的miRNA，lin-4和let-7对线虫的时序性发育发挥着重要的调控作用。不过更有趣的是，lin-4其实还能够直接调节线虫的衰老。2005年Slack等发现，突变lin-4会使线虫的寿命显著缩短，而过表达lin-4 则会延长线虫的寿命，而lin-4 对线虫寿命的调控是通过靶向转录因子lin-14，并经由胰岛素信号通路实现的。此外，另一类高度保守的miRNA家族let-7也对线虫寿命起到重要的调节作用。Shen等发现，当移除线虫生殖腺后，let-7 家族的miRNA表达量都会显著升高，同时导致线虫寿命的延长，表明let-7家族成员是生殖腺信号调控衰老过程所必需的。进一步的研究表明，激酶pdk-1、akt-1 和转录因子lin-14 等都作为let-7家族成员的靶标直接参与了线虫衰老的调控。

Boehm M, Slack F. Science, 2005, 310 (5756):1954-1957 (左); Shen Y, Wollam J, Magner D, et al. Science, 2012, 338(6113): 1472-1476 (右)

近年的研究表明，在小鼠、非人灵长类和人类不同组织的衰老过程中，miRNA呈现组织特异性的差异表达，这恰恰与衰老相关信号通路的组织特异性作用相符，说明miRNA 也能够特异性调控哺乳动物细胞的衰老。核膜核纤层蛋白A （LaminA）的基因突变会导致儿童早衰症 (Hutchinson-gilford progeria syndrome, HGPS)。儿童早衰症（Zmpste24-/-）小鼠的寿命表现为显著缩短。Niedernhofer等在儿童早衰症小鼠的肝脏、肾脏和肌肉组织中发现，miR-1 的表达量显著升高。miR-1可以调控IGF1 基因表达，最终经由胰岛素信号通路实现对小鼠寿命的调控。

Marino G, Ugalde A P, Fernandez A F, et al. Proc Natl Acad Sci USA, 2010, 107(37): 16268-16273

Khanna 等的研究发现，在热量（饮食）限制条件下，小鼠脑组织中miR-30、miR-34a和miR-181a 的表达量会降低，引起其靶基因BCL2表达上调，进而抑制细胞凋亡，延长小鼠神经元的寿命。

Khanna A, Muthusamy S, Liang R, et al. Aging (Albany NY). 2011 Mar;3(3):223-36.

在人类大脑的衰老过程中，miRNA 同样发挥着重要的作用。Persengiev 等发现了一些在人类、黑猩猩和恒河猴大脑皮质及小脑组织衰老过程中表达上调的miRNA，而miR-144 则在上述三种物种脑组织的衰老过程中均表达上调。进一步研究发现，miR-144可靶向Ataxin-1 (脊髓小脑共济失调1型相关基因)，从而阻止衰老伴随的脊髓小脑共济失调和多聚谷氨酰胺疾病的发生。

Persengiev, S., et al. (2011). Neurobiology of Aging 32(12).

2012年，人们发现miR-124 突变体线虫色素沉积显著增多，氧自由基生产速率加快，从而导致衰老进程加快，寿命缩短。2013年，Boon等研究发现，在小鼠心脏衰老的过程中miR-34a的表达量升高，敲除miR-34a可以减少衰老过程中的心肌细胞的死亡率，促进急性心肌梗死细胞的存活，并减少梗死后心肌细胞的纤维化。对于骨骼肌而言，衰老过程通常伴随着肌肉干细胞（卫星细胞）的数目减少或功能障碍。2015年，中国医学科学院的朱大海教授发现miR-431能够通过微调Pax7水平而调节卫星细胞的异质性，从而增强成肌分化，加速肌肉再生。对于衰老相关的代谢改变，国家卫计委老年医学研究所的黎健教授近期阐明了miR-152在调节肝糖原生成中的潜在作用，并阐明肝脏miR-291b-3p可促进小鼠肝脂肪生成和脂质积累，为miRNA调节脂代谢紊乱和氧化应激提供了重要的佐证。此外中科院动物研究所的周琪院士和中科院遗传发育研究所的王秀杰研究员等发现miRNA区段（Dlk1-Dio3）反馈调节对于维持干细胞的多能性至关重要。他们也发现，miRNA可以调控RNA的m6A甲基化水平，进而调节干细胞的重编程。这些研究均为阐释miRNA的表达调控，及其建立与（干）细胞衰老之间的联系提供新的证据和思路。

Lei Liu, et al. J Biol Chem. 2010 Jun 18; 285(25): 19483–19490 (左)；Tong Chen, et al. 2015, 5 March 6(3):289–301（右）

在“暗物质”中寻找光明？

近年来，非编码RNA众多的生物学功能正被一一揭示，那么这些基因组中的“暗物质”是否可以作为防治衰老相关疾病的靶标呢？

非编码RNA可能成为延缓衰老和防治老年疾病的关键靶标（插图：竹一贤）

越来越多的证据表明，miRNA可能在肿瘤、心血管疾病、糖尿病及神经退行等老年性疾病的发生发展过程中起到关键的调控作用。据Thomson Reuters Integrity的统计数据显示，目前已有超过210个miRNA药物正处在不同阶段的研发过程中。这不仅涉及到病毒性肝炎（miR-122拮抗剂）、自身免疫疾病（miR-125a拮抗剂）和代谢性疾病（miR-122拮抗剂），而且涉及到肿瘤（Let-7模拟物）、糖尿病（miR-375）、心血管疾病（miR-208拮抗剂）、和神经退行性疾病（阿尔茨海默氏症: miR-298 和miR-328；帕金森氏症: miR-133b）等衰老相关疾病。与此同时，许多药企和生物公司也纷纷涉足非编码RNA研究领域。

2013年，美国Mirna Therapeutic公司开始推动第1个miRNA类似物-MRX34（靶向miR-34）进入临床试验，用于治疗早期肝癌。2015年底阿斯利康公司启动RG-125的临床试验，该候选药物可通过靶向miR-103/107以用于II型糖尿病的治疗。同年，miRagen公司启动了利用MRG106和MRG201分别治疗恶性造血系统疾病和病理性纤维化疾病的临床试验。此外，GSK和赛诺菲等大型药企也在通过与Regulus公司开展成药性合作，布局miRNA靶向药物的研发。

更为有趣的是，南京大学张辰宇教授近期的研究结果显示，miRNA可能通过日常饮食摄取的方式进入人体血液和组织器官，并发挥其生物学功能。亦有其他学者从中草药丹参和生地黄中分别鉴定出天然miRNA。我们不禁大胆试想一下，未来的生物医学家们能否通过祖国传统药材甚至食物中的“暗物质”来实现人类健康长寿的梦想呢？让我们拭目以待吧！