Science：寿命延长82%，合成生物学重新编程细胞衰老过程

衰老，是一个复杂、多阶段、渐进的过程，发生在生命的整个过程。随着时间的流逝，人体的器官、肌肉会逐渐衰老，一些疾病也伴随着年龄的增长而发生，包括癌症、糖尿病、心血管疾病等。

人的寿命与构成我们的单个细胞的衰老有关，早在2020年7月，加州大学圣地亚哥分校的研究人员在" Science "期刊上发表了一篇题为" A programmable fate decision landscape underlies single-cell aging in yeast "的研究论文，研究人员解开了衰老的关键机制，一些细胞随着DNA稳定性的逐渐下降而衰老，另一些细胞的衰老是由于线粒体功能障碍所致。

在确定细胞在衰老过程中遵循的两个不同路径后，研究人员通过基因编程这些过程来延长细胞的寿命。

2023年4月27日，加州大学圣地亚哥分校的研究人员在" Science "期刊上发表了一篇题为" Engineering longevity-design of a synthetic gene oscillator to slow cellular aging "的研究论文。

该研究显示，通过合成生物学重新编程细胞衰老的过程，在酵母细胞内设计了一个合成基因振荡器，与正常衰老的酵母细胞相比，寿命延长了82%，这一发现有朝一日可能会促成合成基因回路的设计，从而促进更复杂的生物体长寿。

在该研究中，研究人员对控制细胞衰老的电路进行了基因重组，从它像拨动开关一样的正常作用来看，他们设计了一个负反馈回路来阻止老化过程。重新布线的电路作为一种被称为基因振荡器的类似时钟的设备运行，它驱动细胞在两种有害的“衰老”状态之间周期性切换，避免长期处于其中一种状态，从而减缓细胞的退化。

构建合成基因振荡器以重新编程衰老

研究人员首先使用计算机模拟DNA老化电路的工作方式，与更传统的遗传策略相比，这种方法在节省时间和资源以确定有效的长寿策略方面具有优势。

研究人员表示，这是第一次利用计算引导的合成生物学和工程原理来合理地重新设计基因回路和重新编程衰老过程，从而有效地延长寿命。

三年前，研究人员发现，细胞在其整个生命周期中都遵循一系列分子变化，直到它们最终退化和死亡。然而，他们注意到，具有相同遗传物质和相同环境的细胞可以沿着不同的衰老路径行进，一些细胞通过DNA的稳定性逐渐下降而衰老，另一些细胞的衰老是由于线粒体功能障碍所致。

相同环境下，细胞的2种衰老途径，线粒体（绿色）和DNA（红色）

这项新研究显示，与其他强制使细胞逆转衰老的方式不同，通过阻止细胞进入预定的衰退和死亡路径，可以减缓衰老时钟，而类似时钟的基因振荡器可能是实现这一目标的通用系统。

在研究中，研究人员利用酵母细胞作为人体细胞衰老的模型，开发并使用了微流体和延时显微镜来追踪细胞生命周期中的衰老过程，与正常衰老的酵母细胞相比，在合成振荡器装置的指导下经过合成重新布线和老化的酵母细胞的寿命延长了82%。

通过合成振荡器延长82%寿命

研究人员指出，这一结果展示了合成生物学在重新编程细胞衰老过程中的成功应用，并可能为设计合成基因回路奠定基础，以有效延长更复杂生物体的寿命。

目前，研究人员正在将这一结果扩展到包括干细胞和神经元在内的多种人类细胞类型的衰老。

论文链接：

DOI:10.1126/science.add7631

DOI:10.1126/science.aax9552