疾病相关突变定向调控 iPSC 衍生组织的表观遗传年龄
Disease-associated mutations directionally modulate epigenetic age in iPSC-derived tissues
疾病相关突变可在多种 iPSC 衍生类器官模型中驱动表观遗传年龄出现细胞内在的定向偏移。研究者首先在肺类器官(alveolospheres)中证实连续传代可使表观遗传年龄逐步增加。该体系在体外重建了表观遗传衰老轨迹,扩展了 iPSC 系统用于解析人类衰老分子机制的用途。
重编程技术问世以来,人们就知道把体细胞诱导为多能干细胞会彻底抹去年龄相关的分子特征:端粒延长、表观时钟归零、年龄相关转录组变化逆转,甚至摆脱复制性衰老[1];对运动神经元的研究同样证实,iPSC会重置老年供体的衰老状态,而直接转分化的细胞反而能保留老年供体的DNA损伤等衰老标志[3]。衰老伴随组蛋白修饰等表观遗传改变、而重置这些标记可能“重置”细胞发育年龄的想法也早有证据支持[2]。这构成了领域的一个核心困境:iPSC难以承载衰老的非遗传成分,除非细胞在体外能重新走回衰老轨迹。沿着这条线索,长期传代的永生化细胞被证明会积累一种复制驱动的、可区分肿瘤与正常组织的表观遗传签名,且该签名在重编程时被暂时清除[4];肠类器官也被证明能保留来源组织的DNA甲基化年龄谱[6]。
本期这项研究把上述逻辑推进到一个更可操控的体系。作者建立了一套可重复的体外方案,用iPSC来源的类器官重新建立表观遗传衰老轨迹,并以多个表观遗传时钟模型加以量化。在肺类器官模型(肺泡球)中,表观遗传年龄随连续传代进行性增加;更重要的是,在多个模型中,疾病相关突变会驱动额外的、细胞内在的表观遗传年龄偏移,提示疾病状态是表观遗传时钟的独立调节因子,而不仅仅是背景噪音。
这一结果的意义在于给出了“方向性”。此前已知健康类器官可随培养时间重新积累年龄相关的表观遗传状态,肠类器官维持年龄相关甲基化谱的工作也属此类[6],但疾病相关遗传状态能否在重编程之后方向性地重塑这些轨迹并不清楚。人群研究早已观察到表观遗传年龄加速与心肺代谢、血液和肾脏等多项异常相关[5],本研究则在体外把“疾病状态”与表观遗传年龄的关联落到细胞内在的、可复现的偏移上,为这类关联提供了机制研究的入口。
当然,问题远未终结。摘要本身并未解析突变驱动表观年龄偏移的分子路径,这恰是作者期望该体系未来承担的任务——解析调控人类衰老的机制。此外,长期培养中重建的衰老轨迹在多大程度上等同于体内衰老的全貌,仍需在不同器官与模型中检验;正如直接重编程研究所提示的,iPSC来源与原代来源的细胞在衰老特征保留上本就存在差异[3],这条重建之路能走多远,值得持续关注。
- 1.Epigenetic rejuvenation by partial reprogramming · Bioessays 2023
- 2.Histone demethylase UTX-1 regulates C. elegans life span by targeting the insulin/IGF-1 signaling pathway · Cell Metab 2011
- 3.Direct Reprogramming Rather than iPSC-Based Reprogramming Maintains Aging Hallmarks in Human Motor Neurons · Front Mol Neurosci 2017
- 4.More than bad luck: Cancer and aging are linked to replication-driven changes to the epigenome · Sci Adv 2023
- 5.Accelerated Epigenetic Aging Is Associated With Multiple Cardiometabolic, Hematologic, and Renal Abnormalities: A Project Baseline Health Substudy · Circ Genom Precis Med 2023
- 6.DNA Methylation Analysis Validates Organoids as a Viable Model for Studying Human Intestinal Aging · Cell Mol Gastroenterol Hepatol 2020
来源:bioRxiv Genomics · biorxiv.org