杰森·里昂

衰老大脑中的跳跃基因

科学家们正在探索衰老的脑细胞是否会失去控制DNA移动序列(即转座因子)的能力,从而引发炎症和其他问题。

人类基因组含有数量惊人的所谓寄生DNA,这些重复的基因序列可以自我复制并从一个地方跳到另一个地方。这些被称为转座元件或转座子的病毒样序列几乎占我们DNA的50%。

转座子对宿主来说既是福音,也是阻碍。从进化的角度来看,移动元素可能发挥了有益的作用促进基因多样性随着时间的推移。它们的复制和吸收到基因组中提供了大量的新材料,供生物体选择发展免疫力还有其他功能。但是,如果转座子复制并将自己植入一个重要基因中,破坏了它的功能,它们就会对细胞和组织造成严重破坏。一类被称为逆转录转座子的转座子与a人类疾病的数量包括血友病、肌肉萎缩症和癌症。

考虑到转座子的潜在损害,细胞已经形成了防御机制来控制它们。但越来越多的证据表明,这些机制会随着年龄的增长而动摇,而反转录转座子的活性可能会导致与年龄相关的衰退。在过去的几年里,研究人员已经证明,活跃的移动元件不仅会破坏DNA,还会刺激细胞的免疫防御,并引发炎症,这是衰老的常见元凶。“转座因子被先天免疫系统识别的观点获得了巨大的吸引力,”他说约翰Sedivy他是罗得岛州普罗维登斯布朗大学衰老生物学中心的主任。此外,Sedivy和其他人的研究表明,在动物模型中,阻断逆转录转座子活性的药物可以减缓这些不良影响。一些被批准用于其他用途的此类药物已经在针对各种不同疾病的临床试验中。

研究人员目前正在探索逆转录转座子在衰老大脑中所起的具体作用。早期证据表明,脑细胞可能特别容易受到移动元素的影响,反转录转座子活动与此有关不同类型的神经退行性疾病包括渐冻症和阿尔茨海默病。“神经系统,出于我们不知道的原因,似乎是一个特别允许逆转录转座子的组织,”Sedivy说。要更好地了解逆转录转座子如何影响大脑,就需要更灵敏的方法来追踪单细胞中的移动元素,以及评估不同细胞(包括神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞)对逆转录转座子活动的反应。

大脑中的跳跃基因

虽然转座子在我们的基因组中占了很大一部分,但绝大多数是作为化石存在的,是过去进化的遗迹,随着时间的推移已经变得不活跃了。只有一小部分仍然是可移动的,而且仍然能够跳跃的转座子的类型和频率在不同物种之间差异很大。在人类中,主要的活动形式被称为LINE-1或L1。我们的基因组有成千上万的L1副本,约占我们DNA的17%。只有大约100个是高度活跃的。

细胞进化出了多种控制移动元件的机制。为了防止转录,转座子重的区域被挤进染色质的紧密缠绕的区域,称为异染色质。小rna的备份系统会使那些漏过的rna沉默。但这些防御措施并非万无一失。研究表明,在人类中,发生L1逆位在生殖系中大约100 - 200个新生儿中就有1个。事实上,因为逆转录转座子片段已经被重新利用来执行有用的功能,包括突触可塑性在美国,完全关闭它们可能并不可行。“基因组面临着一个不可能的挑战,既要抑制危险的移动元件,又要关闭依赖于非常相似的、发挥重要作用的序列的基本功能,”他说Josh Dubnau她是纽约石溪大学发育遗传学中心的主任。

虽然大部分关于转座子的研究都集中在种系上,但我们现在知道,转座子也可以在体细胞组织中复制,一些最早的证据来自脑细胞。大约20年前,在RNA测序的早期,弗雷德·"拉什蒂"·盖奇他是圣地亚哥索尔克研究所的神经科学家,他和合作者正在分析神经干细胞、神经祖细胞和成熟神经元之间的转录差异。令他们惊讶的是,绝大多数的差异,尤其是神经祖细胞的差异,都是可移动的元素。(如今,大多数RNA-Seq技术都会过滤掉重复元素,因为它们非常丰富。)盖奇和合作者使用一种荧光报告基因,当逆转录转座子插入小鼠染色体DNA时激活,证明了移动元件可以在神经元前体细胞中复制.盖奇现在正在研究不同的疾病和衰老如何通过将不同年龄的人的成纤维细胞直接转化为神经元来影响神经元中的逆转录转座子活性。

此后,许多研究表明,l1可以在其他组织类型中复制,并证实了神经元和胶质细胞的活性,尤其是海马体.逆转录转座子甚至可能在神经发育过程中发挥积极作用。盖奇的理论是,进化可能利用了逆转录转座子的活性来促进神经的多样性.盖奇说:“脑细胞的多样性意味着我们解决问题的能力更多样化。”反转录转座子在神经元中活跃的频率究竟有多高,在该领域仍然存在争议,这在很大程度上是因为在单细胞中检测这些事件具有挑战性。根据Gage的说法,目前用于测量新型逆转录转座子插入的技术估计每个细胞有一到两个事件。

虽然科学家们还没有对不同类型细胞中的逆转录转座子活性进行全面的比较,但转座子似乎在神经谱系中特别活跃。科学家们还不知道原因,但Sedivy怀疑这可能与成年人大脑中神经元的寿命长和更新能力有限有关。Sedivy说:“除了大脑的部分有限外,我们的神经元在70年里都是相同的。”“细胞分裂在很多方面都是摆脱受损细胞的绝佳机会,但你不能在中枢神经系统中这样做,这使得它们容易受到逆转录转座子激活的影响。”

失去控制

Sedivy和合作者第一次对逆转录转座子在衰老中的作用感兴趣是在大约10年前,当时他们正在研究衰老,这是一种与年龄有关的现象,细胞停止分裂。(有关衰老和衰老的更多信息,请参见“在衰老细胞中,有希望减缓大脑衰老的途径。”)研究人员发现衰老细胞的染色质排列模式发生了广泛的变化.DNA的非填充区域,即常染色质,变得更加封闭,而异染色质区域,特别是充满重复元素的巨大异染色质块,变得更加开放,促进转座子活动。Sedivy的团队后来发现在衰老小鼠的肝脏和骨骼肌中也有相同的模式表明衰老细胞失去了抑制转座子的能力。

随后对苍蝇的研究表明,随着年龄的增长,转座子活性的增强是衰老的原因,而不是结果——热量限制可以延长苍蝇和许多其他物种的寿命,抑制与年龄相关的转座子激活。在蠕虫、苍蝇、老鼠和人类细胞中,基因操作也阻止了与年龄相关的异染色质下降降低转座子活性,延长寿命

科学家们还不清楚为什么衰老的细胞似乎失去了抑制逆转录转座子活性的能力。塞迪维说:“我认为衰老本质上是维持体内平衡的失败——身体一直在与熵和磨损作斗争,这个过程并不完美。”“随着年龄的增长,体内的大分子会积累氧化损伤,而蛋白质周转和DNA修复等稳态系统则无法跟上。”

Sedivy团队和其他人的研究也扩展了我们对移动元件如何伤害细胞的理解。当他们第一次开始研究逆转录转座子和衰老时,研究人员认为逆转录转座子的负面影响源于基因组损伤。但研究人员发现,即使不插入基因,l1也能影响细胞。因为逆转录转座子类似于病毒,我们的先天免疫系统将它们视为感染。在发表于自然2019年,Sedivy和合作者表明,在衰老细胞和衰老小鼠中,r复制L1触发了一种叫做干扰素反应的抗病毒免疫机制这引发了组织炎症。

缺乏SIRT6的细胞(右列)比野生型细胞有更多的单链DNA和L1 DNA。 图源:Simon等人细胞代谢2019。

Sedivy的合作者的第二项研究维拉Gorbunova罗彻斯特大学老龄化研究中心的联合主任,发现了相似的模式.Gorbunova的团队之前已经证明了一种名为SIRT6的表观遗传调节因子会抑制转座子,缺乏SIRT6的小鼠会过早死亡。她说:“我们发现这些小鼠的l1失控了,它们的组织中有很多炎症信号。”Gorbunova团队在11月发表的一项新研究将SIRT6和L1的活性与人类衰老联系起来。研究小组发现了SIRT6基因的一种变体在百岁老人中更常见,对L1沉默更有效.她说:“这非常符合转座子的高活性可能不利于长寿的观点。”“为了健康长寿,我们需要让它们安静下来。”

Sedivy、Gorbunova和合作者假设,逆转录转座子诱导的干扰素反应是更广泛的“炎症”现象的一部分,或无菌老化——发生在感染环境之外的慢性低水平炎症。戈尔布诺娃说:“越来越多的人认识到,炎症可能是一些人患病而另一些人没有患病的缺失因素。”“炎症从何而来?L1可能会提供一个解释。”

从积极的方面来看,减缓逆转录转座子活性的药物,包括用于治疗艾滋病毒的抗逆转录病毒药物,已经在动物模型中成功逆转了这一过程。在他们对反转录转座子和炎症的研究中,Sedivy, Gorbunova和合作者发现逆转录酶抑制剂减少小鼠的年龄相关炎症而且降低SIRT6基因敲除对健康和寿命的影响临床试验这些药物肌萎缩性侧索硬化症阿尔茨海默氏症其他条件已经在进行中。

老化大脑中的反转录转座子

除了它们在衰老中的作用外,逆转录转座子还涉及到a神经退行性疾病的数量尤其是那些涉及一种叫做TDP-43的蛋白质的疾病,包括额颞叶痴呆、渐冻症和阿尔茨海默病。转录组数据表明,与年龄匹配的对照组相比,逆转录转座子在患有这些疾病的人群中更为活跃,在疾病的苍蝇模型中也是如此。越来越多的研究表明TDP-43有助于正常大脑中的沉默逆转录转座子活动,这种功能在渐冻症和其他疾病中会出现问题。“(逆转录转座子)复制会导致DNA损伤,并可能导致神经病理,至少在人体中是如此果蝇模型Dubnau说。

最近的研究表明,逆转录转座子与阿尔茨海默氏症和其他涉及tau蛋白错误折叠的疾病有关,tau蛋白是一种有助于稳定神经细胞结构的蛋白质。根据来自牛津大学的研究,异常的tau蛋白破坏了保持异染色质紧密排列的分子结构,这可以在神经退行性疾病中触发大脑中转座因子的激活贝丝霜,圣安东尼奥德克萨斯大学健康科学中心的神经科学家及其合作者。她的团队已经证明,逆转录转座子在阿尔茨海默病患者的脑组织中转录,以及在tau异常的苍蝇和小鼠模型中转录。她的小组的初步研究表明,活跃的逆转录转座子会引发神经炎症,这反映了Sedivy和Gorbunova在非神经细胞中的发现。弗罗斯特说:“每当你激活与外源性病毒类似的转座子时,大脑或身体就会认为有病毒感染。”“转座子和炎症之间的联系已经得到了很多关注,在思考转座子激活在人类衰老和疾病中的作用时,这一点非常重要。”

逆转录转座子在正常认知衰老中的作用尚不清楚,迄今为止最有力的证据来自苍蝇。Dubnau和他的合作者已经证明了一些转座因子在衰老的果蝇的大脑中是活跃的,并且突变了一种叫做Argonaute 2Ago2)增加大脑中的转座子活动,恶化了依赖年龄的记忆衰退和寿命缩短。杜布瑙说:“Ago2突变体在年轻时具有相当正常的记忆和运动能力,但他们的大脑衰老得很快。”“它们比果蝇开始出现记忆障碍的年龄要小得多。”弗罗斯特和合作者的新工作,今年发表在神经生物学进展,发现随着年龄的增长,野生型小鼠大脑中的转座子转录本增加

了解逆转录转座子在衰老大脑中的作用的努力在一定程度上受到了技术挑战的阻碍,尤其是在单细胞方面。逆转录转座子序列是高度重复的,这使得它们很难用典型的方法进行跟踪。例如,一个标准的L1元素大约有6个碱基长。使用标准的短读测序(short-read sequencing)来重建高度重复的转录本是一项挑战,该测序读取大约150个碱基,然后将重叠的片段粘贴在一起。Sedivy说:“你可以知道转录是否在增加,但这只是近似值,很难确定具体的元素。”这些问题在单细胞中更为明显,因为单细胞开始时几乎没有物质。“我们必须找到更好的方法来检测单细胞水平的插入,”Gage说。

18个月大的小鼠(右)额叶皮层第2/3层的细胞(红色)比3个月大的小鼠(左)有更多的L1蛋白。 图源:Zhang等人《细胞研究2022》。

长读测序技术正在帮助解决这些问题,但它们也很难在单细胞基础上实现。免疫荧光方法检测参与L1活性的蛋白质提供了另一种方法,已成功用于研究移动元件在癌症中的作用。研究人员现在开始将这种方法应用于神经元。

一项研究发表在细胞研究今年10月,通过免疫荧光和一种评估单细胞染色质的新方法证实,衰老的神经元可能特别容易受到逆转录转座子活性的影响。Bing任他是加州大学圣地亚哥分校的生物学家,并与合作者进行了比较与年龄相关的染色质变化在小鼠不同类型的细胞中,包括额叶皮层、海马体、心脏、骨髓和骨骼肌。他们发现,脑细胞显示出与年龄相关的变化最多,染色质开放,L1活性增加。任志强说:“我很惊讶地看到与衰老相关的神经元有这么多变化。”特别是在兴奋性神经元中,年轻时通常被紧紧缠绕的区域变得更加开放。他说:“它们在出生时是沉默的,埋藏在异染色质中,但随着年龄的增长,它们就会打开。”相比之下,抑制性神经元和胶质细胞的异染色质没有变化。“这项工作为许多猜想提供了惊人的验证,”Sedivy说。“要看到不同细胞类型和年龄之间的差异,这都是新的信息。”下一步将是研究为什么这些细胞类型是脆弱的。

在过去的一年里,Sedivy, Gorbunova, Gage, jeff Boeke等人获得了一个新的奖助金国家衰老研究所的研究,以进一步探索逆转录转座子如何影响衰老的大脑。研究人员旨在更好地了解非分裂细胞中转座元件的生命周期,特别是在培养和小鼠大脑中的衰老细胞和有丝分裂后神经元。“在相关条件下,它们是如何在组织、小鼠模型、类器官、ips衍生神经元中被激活的?”Sedivy说。“我们正在研究所有这些方面。”

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