设计合成基因振荡器以减缓细胞衰老

【据《Science》2023年4月报道】题：设计合成基因振荡器以减缓细胞衰老（作者Zhen Zhou等）

细胞衰老是一个基本而复杂的生物学过程，是许多疾病的潜在驱动因素。酿酒酵母的复制衰老已被证明是有丝分裂细胞类型(如干细胞)衰老的遗传可处理模型，并能够鉴定出影响真核生物寿命的保守遗传因素。例如，赖氨酸去乙酰化酶Sir2和血红素活化蛋白(HAP)复合物是高度保守的，具有良好特征的转录调节因子，可以控制酵母的衰老和寿命。Sir2介导核糖体DNA (rDNA)的染色质沉默，以维持这一基因组位点的稳定性和核仁的完整性。HAP调节血红素生物生成和线粒体功能重要基因的表达。

作者发现，野生型酵母细胞的衰老趋向两种离散的终端状态:一种是rDNA沉默减少，导致核仁增大和断裂，另一种是血红素丰度减少，因此导致线粒体聚集和功能障碍。研究人员进一步确定了Sir2和HAP的相互抑制回路，它类似于一个拨动开关，驱动细胞命运决定和承诺进入这两种有害状态中的任何一种，从而导致细胞退化和衰老。作者考虑了改变Sir2-HAP回路以重新编程衰老轨迹以延长寿命的可能性。具体来说，在Sir2和HAP之间引入一个合成负反馈回路可能导致这两条通路的持续振荡。这种周期性循环可能使Sir2和HAP在衰老过程中实现动态平衡，避免rDNA沉默缺失或血红素耗竭状态的持续时间延长，从而减缓细胞退化并延长寿命。

为了实现HAP对SIR2的强正转录调控，用CYC1(细胞色素C1)启动子取代了SIR2的天然启动子，CYC1被HAP结合并激活。用荧光报告蛋白mCherry在c端标记SIR2，这不会影响细胞生长或老化。为了确保HAP的高转录能力，构建了一个包含HAP4基因的构建体，该基因编码HAP复合物的主要成分，并使用TDH3(三磷酸脱氢酶3)启动子作为HAP4基因的启动子。为了实现Sir2对HAP的动态转录抑制，研究人员在rDNA内的非转录间隔区(NTS)整合了HAP4构建体，该区域受Sir2介导的转录沉默。作者使用微流体结合延时显微镜来跟踪Sir2-mCherry荧光在单细胞整个生命周期中的动态变化，发现合成振荡器菌株在整个生命周期中表现出持续的Sir2振荡。与野生型酵母细胞相比，合成振荡器菌株的寿命延长了82%。并且发现那些持续振荡老化的细胞比那些在生命后期偏离振荡的细胞寿命延长。因此，维持Sir2振荡对于最大限度地延长寿命似乎很重要。为了进一步评估合成振荡菌株的性能，作者将其与从遗传筛选中鉴定出的寿命最长的Sir2单突变体、HAP单突变体和Sir2/HAP双突变体进行了比较，发现合成振荡器菌株比大多数突变体具有更长更均匀的寿命。作者进一步量化了每个细胞衰老过程中rDNA沉默缺失和血红素耗竭状态的连续时间，几乎所有的野生型老化细胞都经历了长时间的rDNA沉默缺失或血红素耗尽，而振荡细胞在这两种状态下的持续时间都较短。因此，Sir2-HAP回路中的工程化负反馈回路在rDNA沉默和血红素生物发生之间实现了基于时间的平衡，从而延长了寿命。

综上所述，基于对野生型酵母细胞衰老过程中Sir2和HAP通路的理解，作者将它们的相互作用重新连接到一个负反馈回路中，并创建了一个维持细胞稳态的基因振荡器。该合成系统的优势在于其在延长寿命方面的稳健性和有效性，优于基因筛选的长寿突变体和Sir2、HAP两者的简单过表达。

（投稿人：再生医学研究所 孙士雯，何志颖）