老化大脑中的神经质基因

人类基因组包含数量惊人的所谓寄生 DNA，即可以自我复制并从一个地方跳到另一个地方的重复基因序列​​。这些类似病毒的序列被称为转座因子或转座子，几乎占我们 DNA 的 50%。

转座子对它们的宿主来说既是福音又是阻碍。从进化的角度来看，随着时间的推移，移动元素可能通过促进遗传多样性发挥了有益的作用。它们在基因组中的复制和吸收提供了大量新材料，生物体已将这些材料用于发育、免疫和其他功能。但是，如果转座子复制并将自身植入一个重要基因中，破坏其功能，它们就会对细胞和组织造成严重破坏。一类被称为反转录转座子的转座因子与人类的许多疾病有关，包括血友病、肌肉萎缩症和癌症。

考虑到转座子的潜在损伤，细胞已经开发出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减弱，而逆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，研究人员表明，活跃的移动元素不仅会破坏 DNA，还会激发细胞的免疫防御并引发炎症，这是衰老的常见罪魁祸首。 “转座因子被先天免疫系统识别的想法获得了巨大的吸引力，”位于罗得岛普罗维登斯的布朗大学衰老生物学中心主任约翰塞迪维说。更重要的是，Sedivy 和其他人的工作表明，阻断逆转录转座子活性的药物可以减缓动物模型中的这些不良影响。批准用于其他用途的几种此类药物已经在针对各种不同疾病的临床试验中。

研究人员现在正在探索反转录转座子在老化大脑中发挥的具体作用。早期证据表明脑细胞可能特别容易受到移动元素的影响，逆转录转座子活性与不同类型的神经退行性疾病有关，包括 ALS 和阿尔茨海默氏病。 “由于我们不明白的原因，神经系统似乎是反转录转座子特别容易接受的组织，”Sedivy 说。更好地了解反转录转座子如何影响大脑将需要更灵敏的方法来跟踪单个细胞中的移动元素，并评估不同的细胞（包括神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞）如何对反转录转座子活动作出反应。

大脑中的跳跃基因

尽管转座子在我们的基因组中占了很大一部分，但绝大多数都以一种化石的形式存在——过去进化的残余物，随着时间的推移变得不活跃。只有一小部分保持移动，并且仍然能够跳跃的转座子的类型和频率因物种而异。在人类中，主要的移动形式被称为 LINE-1 或 L1。我们的基因组有数十万个 L1 拷贝，约占我们 DNA 的 17%。只有 100 个左右高度活跃。

细胞已经进化出多种机制来控制移动元素。为了防止转录，转座子重的区域被包裹在染色质的紧密缠绕区域中，称为异染色质。小 RNA 的备份系统会使那些漏掉的 RNA 沉默。但这些防御措施并非万无一失。研究表明，在人类中，大约每 100 到 200 个新生儿中就有 1 个发生 L1 逆转录转座。事实上，由于反转录转座子片段已被重新用于执行有用的功能，包括突触可塑性，完全关闭它们可能是不可行的。 “基因组面临着一个不可能的挑战，即在不关闭依赖于发挥重要作用的非常相似序列的基本功能的情况下，使危险的移动元素沉默，”纽约州立大学斯托尼布鲁克大学发育遗传学中心主任Josh Dubnau说。约克。

虽然大部分关于转座因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。将近 20 年前，在 RNA 测序的早期，圣地亚哥索尔克研究所的神经科学家Fred “Rusty” Gage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，绝大多数差异，特别是在神经祖细胞中，都是可移动的元素。 （如今，大多数 RNA-Seq 技术会过滤掉重复元素，因为它们非常丰富。）Gage 和合作者使用一种荧光报告基因在逆转录转座子插入小鼠的染色体 DNA 时激活，表明移动元素可以在神经元前体细胞中复制。 Gage 现在正在研究不同的疾病和衰老如何通过将来自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。

此后的多项研究表明，L1 可以在其他组织类型中复制，并已证实在神经元和神经胶质细胞中具有活性，尤其是在海马体中。反转录转座子甚至可能在神经发育过程中发挥积极作用。盖奇推论说，进化可能已经选择了反转录转座子活动来促进神经多样性。 “脑细胞的多样性意味着我们解决问题的能力更加多样化，”盖奇说。反转录转座子在神经元中活跃的确切频率仍然是该领域争论的问题，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会发生一到两个事件。

尽管科学家们尚未对不同类型细胞中的反转录转座子活性进行全面调查，但转座子似乎在神经谱系中特别活跃。科学家们还不知道为什么，但 Sedivy 怀疑这可能与神经元的长寿命和成人大脑的更新能力有限有关。 “除了大脑的有限部分，我们拥有 70 年来相同的神经元，”Sedivy 说。 “在许多方面，细胞分裂是摆脱受损细胞的绝佳机会，但你不能在中枢神经系统中做到这一点，这使得它们容易受到反转录转座子激活的影响。”

失去控制

大约 10 年前，Sedivy 和合作者开始对逆转录转座子在衰老中的作用产生兴趣，当时他们正在研究衰老，这是一种与年龄相关的细胞停止分裂的现象。 （有关衰老和衰老的更多信息，请参阅“ 在衰老细胞中，延缓大脑衰老的有希望的途径”。 ）研究人员发现，衰老细胞的染色质堆积模式发生了广泛变化。 DNA 的非堆积区域，称为常染色质，变得更加封闭，而异染色质区域，尤其是充满重复元素的巨大异染色质块，变得更加开放，从而促进转座子活动。 Sedivy 的团队后来在衰老小鼠的肝脏和骨骼肌中发现了相同的模式，表明衰老细胞失去了抑制转座子的能力。

随后对果蝇的研究表明，随着年龄的增长，转座子活性的增强是衰老的原因，而不是衰老的结果——热量限制延长了果蝇和许多其他物种的寿命，抑制了与年龄相关的转座子激活。在蠕虫、果蝇、小鼠和人类细胞中，阻止与年龄相关的异染色质下降的基因操作也会降低转座子活性并延长寿命。

科学家们还不清楚为什么衰老细胞似乎失去了抑制逆转录转座子活性的能力。 “我认为衰老本质上是无法维持体内平衡——身体不断地与熵和磨损作斗争，这个过程并不完美，”Sedivy 说。 “随着年龄的增长，体内的大分子会积累氧化损伤，蛋白质更新和 DNA 修复等稳态系统跟不上。”

Sedivy 团队和其他人的研究也扩展了我们对移动元素如何损害细胞的理解。当他们第一次开始研究反转录转座子和衰老时，研究人员认为反转录转座子的负面影响源于基因组损伤。但研究人员发现，L1 甚至可以在不插入基因的情况下影响细胞。因为反转录转座子类似于病毒，所以我们的先天免疫系统将它们视为感染。在 2019 年发表在《自然》杂志上的研究中，Sedivy 及其合作者表明，在衰老细胞和衰老小鼠中，复制 L1 会触发一种称为干扰素反应的抗病毒免疫机制，从而引发组织炎症。

缺乏 SIRT6 的细胞（右栏）比野生型细胞具有更多的单链 DNA 和 L1 DNA。图片来源：西蒙等人。细胞代谢 2019。

Sedivy 的合作者、罗彻斯特大学衰老研究中心的联合主任Vera Gorbunova的第二项研究发现了类似的模式。 Gorbunova 的团队之前已经表明，一种名为 SIRT6 的表观遗传调节因子会抑制转座子，并且缺乏 SIRT6 的小鼠会过早死亡。 “我们发现 L1 在这些小鼠体内失控，并且它们的组织中有很多炎症信号，”她说。 Gorbunova 团队于 11 月发表的一项新研究将 SIRT6 和 L1 活动与人类衰老联系起来。该团队确定了 SIRT6 基因的一个变体，该变体在百岁老人中更为常见，并且在沉默 L1 方面更有效。 “这非常符合转座子的高活性可能不利于长寿的观点，”她说。 “为了健康长寿，我们需要让他们安静下来。”

Sedivy、Gorbunova 和合作者假设逆转录转座子诱导的干扰素反应是一种更广泛的现象的一部分，这种现象被称为“炎症”或无菌老化——发生在感染环境之外的慢性低水平炎症。 “人们越来越认识到，炎症可能是某些人患病而另一些人不患病的缺失因素，”Gorbunova 说。 “炎症从何而来？ L1 可能会提供解释。”

从积极的一面来看，减缓逆转录转座子活性的药物，包括用于治疗 HIV 的抗逆转录病毒药物，已在动物模型中成功逆转这一过程。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了小鼠与年龄相关的炎症，并减少了 SIRT6 基因敲除对健康和寿命的影响。这些药物用于ALS 、阿尔茨海默氏症和其他疾病的临床试验已经在进行中。

老化大脑中的反转录转座子

除了在衰老中的作用外，反转录转座子还与许多神经退行性疾病有关，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、ALS 和阿尔茨海默病。转录组数据表明，反转录转座子在患有这些疾病的人中比在年龄匹配的对照组以及疾病的苍蝇模型中更活跃。越来越多的研究表明，TDP-43 有助于抑制正常大脑中的反转录转座子活动，这种功能在 ALS 和其他疾病中会出错。 “[逆转录转座子] 复制会导致 DNA 损伤，并可能导致神经病理学，至少在果蝇模型中是这样，”Dubnau 说。

最近的研究将反转录转座子与阿尔茨海默病和其他涉及 tau 错误折叠的疾病联系起来，tau 是一种有助于稳定神经细胞结构的蛋白质。根据位于圣安东尼奥的德克萨斯大学健康科学中心的神经科学家Bess Frost及其合作者的研究，异常的 tau 破坏了保持异染色质紧密堆积的分子结构，这可以触发神经退行性疾病中大脑中转座因子的激活。她的团队已经表明，反转录转座子在阿尔茨海默病患者的脑组织以及异常 tau 的果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。 “每当你激活类似于外源病毒的转座子时，它就会让大脑或身体认为存在病毒感染，”弗罗斯特说。 “转座子和炎症之间的联系已经引起了很多关注，并且在考虑人类衰老和疾病中的转座子激活时非常重要。”

反转录转座子在正常认知老化中的作用尚不清楚，迄今为止最好的证据来自果蝇。 Dubnau 和合作者已经表明，在衰老的果蝇大脑中有几种转座因子是活跃的，并且突变一种叫做Argonaute 2 ( Ago2 ) 的基因会增加大脑中的转座子活性，加剧年龄依赖性记忆衰退和缩短寿命。 “Ago2 突变体在年轻时具有非常正常的记忆力和运动能力，但他们的大脑老化得很快，”Dubnau 说。 “他们在 [a] 比果蝇年轻得多的时候就开始出现记忆障碍。”今年发表在《神经生物学进展》杂志上的 Frost 及其合作者的新工作发现，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部分受到技术挑战的阻碍，特别是在单细胞中。逆转录转座子序列具有高度重复性，因此很难用典型方法进行追踪。例如，一个标准的 L1 元素大约有 6 千碱基长。使用标准的短读长测序重建高度重复的转录本具有挑战性，它读取大约 150 个碱基，然后将重叠的片段粘贴在一起。 Sedivy 说：“转录是否在增加，你可以得到一些想法，但这只是近似的，很难固定到特定的元素。”这些问题在单细胞中更为明显，因为单细胞的材料很少。 “我们必须找出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）额叶皮质第 2/3 层的细胞比 3 个月大的小鼠（左）具有更多的 L1 蛋白（红色）。图片来源：张等人。细胞研究 2022。

长读长测序技术有助于解决这些问题，但它们也很难在单细胞基础上实施。检测参与 L1 活动的蛋白质的免疫荧光方法提供了一种替代方法，该方法已成功用于研究移动元素在癌症中的作用。研究人员现在开始将这种方法应用于神经元。

10 月份发表在Cell Research上的一项研究使用免疫荧光和一种评估单细胞染色质的新方法证实，老化的神经元可能特别容易受到反转录转座子活性的影响。加州大学圣地亚哥分校的生物学家Bing Ren和合作者比较了小鼠不同类型细胞（包括额叶皮层、海马体、心脏、骨髓和骨骼肌）中染色质随年龄变化的变化。他们发现脑细胞显示出与年龄相关的变化最多，染色质打开，L1 活动增加。 “我很惊讶地看到与衰老相关的神经元发生如此多的变化，”任说。特别是在兴奋性神经元中，年轻时通常紧密缠绕的区域变得更加开放。 “他们是沉默的，出生时埋藏在异染色质中，但随着年龄的增长而开放，”他说。相反，抑制性神经元和胶质细胞没有显示异染色质的变化。 “这项工作为很多猜想提供了惊人的验证，”Sedivy 说。 “要查看不同细胞类型和年龄之间的差异，这都是新信息。”下一步将是检查为什么这些细胞类型易受攻击。

去年，Sedivy、Gorbunova、Gage、Jef Boeke 和其他人获得了国家衰老研究所的新资助，以进一步探索逆转录转座子如何影响老化的大脑。研究人员旨在更好地了解非分裂细胞中转座因子的生命周期，尤其是在培养物和小鼠大脑中的衰老细胞和有丝分裂后神经元。 “它们如何在组织、小鼠模型、类器官、IPS 衍生神经元的相关条件下被激活？”塞迪维说。 “我们正在检查所有这些东西。”