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由于人类细胞的重编程而使其年轻化



他们说，生命是衰老的一个连续过程，不可避免地以死亡告终。这听起来可能不太乐观，但是自然法则就是这样。衰老和死亡是地球上任何种类人口中最重要的调节器，从生物学的角度来说，永生不朽仅存在于书籍和电影中。 “永恒”的青年也有同样的情况。在书中，我们有多里安·格雷（Dorian Gray）-一个永远年轻英俊的年轻人，对特定的艺术作品怀有强烈的反感。爱德华·卡伦（Edward Cullen）是一个年轻的吸血鬼，维生素D缺乏症和皮肤反射率高等。实际上，永恒或至少是长期的青年是无法实现的。至少如果科学家不干预这一过程。今天我们将了解这项研究，斯坦福大学的科学家通过其中某些蛋白质参与了胚胎发育过程，实现了旧人类细胞的复兴。使用了什么物质，细胞年轻了多少岁，效果持续了多长时间？我们从研究小组的报告中了解到这一点。走。

学习基础


什么是衰老？从本质上讲，这是在分子，细胞，组织和整个有机体水平上逐渐失去功能的过程。

在染色质水平上，衰老与表观遗传错误的逐步积累有关，最终导致异常的基因调节异常，干细胞耗竭，衰老和细胞/组织动态平衡受损。
染色质* -染色体的基础，由DNA和蛋白质（主要是组蛋白）组成。染色质位于真核细胞（在细胞中具有核的有机体）的核内，并且是原核生物（无核的单细胞）中核苷的一部分。
表观遗传* -一组表型或基因表达的遗传变化。
如果您对多能*细胞进行核重编程，则可以将其作为年龄进行逆转，但不能与之相同。
多能性*是细胞的特征，可以分化为除生殖器官外的细胞以外的所有类型的细胞。
以前，该技术已经在小鼠上进行了测试。结果非常令人鼓舞，因为临时重新编程可改善小鼠的年龄特征并延长其寿命。但是人不是老鼠，因此问题仍然在于该技术如何在人类细胞上发挥作用。这正是科学家在这项研究中所考虑的。

核重编程为诱导性多能干细胞（iPSCs *）的过程的特征在于细胞表观遗传特性的完全倾卸（重载），这导致细胞身份和年龄都恢复为类胚胎状态。
诱导多能干细胞（iPSC）*是实验室中从哺乳动物（包括人类）成熟分化细胞中获得的一种干细胞。
奇怪的是，重新编程不是不可逆的，它会停止到所谓的不返回点（PNR从不返回点），此后，这些单元最终将返回其原始体细胞*状态。
体细胞* -构成躯体（身体）但不参与性发育的细胞。
因此，如果重编程将在相当短的时间内影响细胞，则重编程因子的表达将无法消除决定细胞身份的表观遗传学特征。事实证明，短暂的暴露不会改变细胞的身份，但是会影响细胞的年龄吗？

在小鼠中显示了临时重编程可以改善衰老过程中的表型的第一个证据。但是，正如科学家已经提醒我们的那样，老鼠不是人类。该技术的一个重要问题是，它是否可以在从老年人中分离出来的自然存在的人体细胞上起作用。

为了找出答案，科学家们进行了一系列实验，以确定核重编程对人类和小鼠细胞表型（外部和内部体征）的影响程度。

研究成果


首先，评估老年人中重编程因子的瞬时表达对两种不同类型细胞（成纤维细胞和内皮细胞）的转录本的影响。接下来，将老年人的转录本与年轻供体的相同细胞类型（1a和1e）的转录本进行比较。
成纤维细胞* -人体结缔组织中合成细胞外基质的细胞。
内皮* -血管，淋巴管和心腔内壁上的一层扁平细胞。


1号图像

成纤维细胞是从研究参与者的手和腹部皮肤活检样本中获得的：年龄在25-35岁之间的3人（年轻组）和年龄在60-90岁之间的8人（老年组）。
活检* -通过活检获得的生物材料。
从研究参与者的ilia静脉和动脉中提取内皮细胞：3名15至25岁的人（年轻组）和8名50至65岁的人（老年组）。

对于实验，使用了非整合重编程方案，该方案基于表达OCT4，SOX2，KLF4，c-MYC，LIN28和NANOG蛋白的一组mRNA进行了优化。

在每天转染 12–15次之后，该方案依序产生iPSC菌落，而与捐赠者的年龄无关。
转染*是通过非病毒方法将核酸引入真核细胞的过程。
发现在这种情况下，在重新编程的第五天观察不到返回点。该结论基于以下事实：内源多能性相关dcRNA *的第一个可检测表达发生在第58天。
dnaRNA（长非编码RNA）*是位于细胞核或细胞质中但未翻译成蛋白质的RNA分子。
有鉴于此，决定使用外源表达的临时方案，其中每天连续4天转染OSKMLN，并在中断后2天进行基因表达分析（1b）。

接下来，对所有三类受试者的两种类型的细胞进行配对质量RNA测序：年轻人（Y），无重编程的老年人（UA）和有重编程的老年人（TA）。

首先，科学家们比较了无需重新编程（Y和UA）的年轻受试者和老年人的分位数标准化成绩单。分析显示，成纤维细胞（1a和1c）中有961个基因（5.85 ％），内皮细胞（1e和1f）中有748个基因（4.80％）。）在新旧细胞之间有所不同。

这些基因集与衰老过程直接相关。重新确定成纤维细胞和内皮细胞（1d和1g）后，确定每个基因的表达方向高于或低于平均值表示年轻人的细胞与老年人的细胞之间存在明显的相似性。

使用上述方法，科学家比较了有和没有重编程的老年受试者的细胞群（TA和UA；1a和1e）。发现成纤维细胞中的1042个基因和内皮细胞中的992个基因差异表达。

然后将这些转录组图谱用于在重新编程后确认细胞身份的保留。分析表明，身份没有明显变化。

通常，对转录组签名的分析表明，OSKLMN表达可促进年轻基因表达谱的非常快速的激活，而不会影响细胞同一性基因的表达。

研究人员指出，基于DNA甲基化水平的表观遗传钟*是组织和细胞中最准确的年龄分子生物学标记。他们还预测了许多与年龄有关的疾病，包括预期寿命。
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众所周知，规范性重编程因子（OSKM）的外源表达使原代细胞的表观遗传年龄返回到产前状态，

为了测试瞬时OSKMLN表达是否可以逆转人体体细胞的表观遗传钟，科学家使用了两种类型的表观遗传钟，它们适用于成纤维细胞和人内皮细胞：最初的Panvis Horvath表观遗传时钟（基于353对胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤），后来的“皮肤血液”手表（基于391 CpGs-DNA分子位点）。

Howarth表观遗传年龄计算器

根据Howart的表观遗传钟，暂时暴露于OSKMLN显着逆转了DNA甲基化的年龄（平均年龄差异= -3.40年）。与成纤维细胞（平均年龄差异= -1.84; 1h）相比，内皮细胞（平均年龄差异= -4.94年；1i）对复兴的影响更为明显。 使用肤色时钟获得的结果在质量上相似，但意义不大：复兴的总体效果为-1.35年；内皮细胞的平均活力为-1.62，成纤维细胞的平均活力为-1.07。



基于这些结果，分析了临时重新编程对细胞生理衰老的各种迹象的影响。为此，进行了单个细胞的可视化和大量的衰老迹象数据库。


第2张图片

所有分析均在每个单独的细胞系（2a）中分别进行：19系成纤维细胞（3例年轻，8例老年人和8例重新编程后的老年人）和17系内皮细胞（3例年轻，7例老年人和7例内皮细胞）重新编程后的老年人）。通过每个样品随机抽取100个细胞进行统计分析。

为了扩展先前关于表观遗传学的结果，使用表观遗传抑制标签H3K9me3，支持细胞核层粘连蛋白*（2b - 2d）的异染色质相关蛋白HP1γ和LAP2α的免疫荧光（IF）进行了额外的定量测量。
核Lamin * -核膜下的纤维状刚性网络，与染色质的组织有关。
如先前在先前研究中所报道，在成熟的成纤维细胞和内皮细胞中，与年轻细胞相比，所有三种标记物均观察到了核信号的下降。对旧细胞进行重新编程已导致两种细胞中这些标志物的增加。

接下来，通过测量自噬体的形成来研究细胞的蛋白水解（蛋白质水解）活性，并且还研究了类化学胰蛋白酶的蛋白酶体活性。重新编程不仅将两种类型的活动增加到年轻细胞的水平，而且超过了它（2e和2f）。这表明重编程的早期阶段有助于降解生物分子的主动清除。

细胞衰老的最明显迹象之一是线粒体活性降低，活性氧（ROS）积累和营养敏感性失调。因此，我们可以通过测量线粒体的膜电位，ROS线粒体和Sirtuin1（SIRT1）的蛋白质水平来检查重编程对衰老细胞的影响。

临时重编程增加了两种细胞类型中线粒体的膜电位（2g），降低了线粒体ROS（2h）并增加了成纤维细胞中SIRT1蛋白水平，这在年轻细胞中观察到。

通过对与衰老相关的β-半乳糖苷染色的细胞成像显示，内皮细胞中的衰老细胞数量显着减少，而成纤维细胞中却没有。这伴随着与促炎性衰老相关的分泌表型细胞因子数量的减少，并再次出现在内皮细胞中，但在成纤维细胞中却没有（2i）。

还发现，在所有细胞类型中，端粒*长度在重编程后均未显示出显着的伸长。这可能表明，当端粒酶活性重新激活时，细胞不会分化为类似于干细胞的状态。
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还发现，甚至在该过程停止后4天和6天之后，细胞中重编程的效果仍然持续。从重新编程产生效果的速度来看，在此过程开始后两天就已经观察到它们。

总体而言，这些数据表明，OSKMLN的瞬时表达可在转录组，表观遗传学和细胞水平上引起人体细胞的快速，持续改善和细胞年龄变化。此外，这种复兴发生在重新编程的早期阶段，因此该技术没有时间影响细胞的身份。

然后，科学家决定找出OSKMNL的瞬时表达是否也可以逆转与衰老相关的炎症表型。在获得内皮细胞这种变化的初步证据之后（2j），通过添加骨关节炎扩大了分析范围，骨关节炎是一种与衰老密切相关的疾病，其特征在于明显的炎症过程会影响关节的软骨细胞。

取样-六名年龄在60-70岁的患者由于晚期骨关节炎而进行了完全关节置换手术的软骨中的软骨细胞。此外，对这些样品进行了重新编程，并将其结果与三名年轻人（3a）的软骨细胞数据进行了比较。


图片编号3

OSKMLN的临时表达进行了2或3天，中断重编程后2天进行了分析，尽管患者使用更长的治疗效果更持久。

但是，使用OSKMLN显示RANKL（肿瘤坏死因子家族的细胞因子）和iNOS2的细胞内mRNA水平以及细胞分泌的炎性因子水平显着降低（3b - 3d）。

此外，观察到细胞增殖增加（3e），ATP产生增加（3f）和氧化过程减少（3g和3h）。

验证细胞身份表明，重编程过程没有违反它：对SOX9表达水平没有影响，并且COL2A1的表达水平显着增加（3i和3j上的qRT-PCR ）。

从以上结果可以看出，OSKMLN的瞬时表达可导致骨关节炎的老年软骨细胞中基因表达和细胞生理的部分逆转至年轻状态。因此，所研究的技术也可以用作治疗老年人骨关节炎的方法之一。

衰老的另一个重要标志是干细胞功能的丧失和再生能力的丧失。为了测试重编程对这些因素的影响，科学家使用了小鼠骨骼肌干细胞（MuSC）。

MuSC处于静止状态时，需要进行2天的重新编程。年龄3个月和20-24个月（4a）的个人作为样本供体。


4号图片

处理老MuSC减少了第一次分裂的时间，使它接近了激活年轻MuSC细胞的更快动力学和线粒体质量。此外，重编程部分恢复了单个MuSC形成菌落的能力降低。

接下来，针对新组织的再生，对MuSC的功能和有效性进行了测试。为此，使用表达慢病毒的荧光素酶和GFP进行年轻，老年人或临时重新编程的MuSC细胞的转导，然后将其移植到免疫功能低下的小鼠前胫骨的受损肌肉中。

生物发光成像最初显示，放置了重新编程的MuSC的肌肉显示出最高的信号（第4天；4b和4c）。但是，在第11天，这些肌肉变得与添加了年轻MuSC的肌肉相似。但是添加了老化的MuSC细胞但未重新编程的肌肉显示出最弱的信号（4b和4c）

免疫荧光分析表明，与未处理的细胞相比，经过重编程的细胞为组织提供的肌原纤维数量更多（4d和4e）。第一次分析后60天，又进行了一次分析，结果相同（4 g）。这直接表明暴露于经过重编程的细胞后组织的再生能力得到改善。

在研究的下一阶段，应特别注意与年龄相关的萎缩性退行性肌肉改变。科学家决定检查他们的技术是否可以将老年小鼠的肌肉强度恢复到年轻水平。

首先，在4个月和27个月大的小鼠肌肉中建立了强直*强度。
破伤风* -长时间的肌肉收缩。
如预期的那样，在年长的小鼠中，该强度显着低于年幼的小鼠，这表明年龄因子（4h）。

然后，从20-24个月大的小鼠中分离出MuSC细胞，随后对其进行重新编程，然后移植到20个月大的小鼠的心脏毒素损伤的肌肉中。30天后，重复进行强度测试。

无需重新编程即可将细胞移植到其中的肌肉显示出与老年小鼠的正常肌肉相同的结果，无需任何干预。但是放置了经过重新编程的细胞的肌肉显示出与年轻小鼠的肌肉相当的强直作用力（4h）。

因此，与基于MuSC的治疗相结合的临时重编程可以将衰老肌肉的生理功能恢复为年轻肌肉的功能。

用肌肉和人体细胞进行类似的程序显示出相似的阳性结果（4i和4j）。

为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下科学家的报告和其他材料。

结语


在我们今天检查的研究中，科学家能够证明细胞的暂时重编程可以对抗细胞衰老的迹象，而不影响细胞的身份。

几天后，经过重新编程的老年人细胞开始表现出年轻细胞的特征。在这种情况下，该作用在停止治疗后持续六天。

该技术不仅在细胞和组织的总体恢复方面很重要，而且在抵抗与年龄有关的疾病如骨关节炎的影响方面更重要。

将来，科学家打算改进他们的方法。首先，正如研究人员自己所说，有必要在实验室中进行大量测试，并在细胞水平上充分验证该方法的安全性。之后，将有可能在组织水平上开始使用它。

就道德，伦理和心理学而言，人类是否准备好为永恒的年轻人？这个问题很复杂，但是有很多答案。然而，这项研究的目的不是寻找永生，而是寻找新的有效方法来对抗与不可避免的身体衰老有关的各种疾病。老年不如随之而来的疾病那么糟糕。对于任何年龄段的人来说，都是一样的，对于一个永恒的神话般的青年，如果一个人在这个永恒的岁月中，会因某种疼痛而挣扎，那会有什么快乐呢？

周五顶峰：

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谢谢大家的关注，保持好奇心，祝大家周末愉快！:)

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