你好，我是王立铭。2022年4月6日，第38期巡山报告又和你见面了。
在刚刚过去的这个月里，生命科学领域有这么两件大事，我认为你值得关注。
咱们的巡山报告中，有好多次讲到和延缓衰老、延长寿命有关的研究进展。比如节食和运动及其背后的生物学机制，比如二甲双胍、雷帕霉素等等药物，比如换血，还有各种新发现的逆转衰老因子[1]。这一点也不奇怪，长命百岁、长生不老，本来就是人类朴素和长久的愿望。再说寿命和衰老问题，本身也是非常有趣和神秘的生物学基本问题，当然有大量的研究资源投入到这个领域，研究进展也自然会非常丰富。
2022年3月7日，美国索尔克研究所的科学家们在《自然-衰老》杂志上发表了一篇论文，引入了一种和上述研究思路完全不同的逆转衰老的方法。简而言之，它是通过把衰老细胞重新拉回年轻状态，来实现逆转衰老的效果。
要说清楚怎么把衰老细胞拉回年轻状态，我们首先得解释一下，年轻细胞是怎么衰老的。像人类这样的多细胞生物，从小到大发育成熟的过程，是靠一枚受精卵细胞持续不断的分裂来实现的。这个细胞有一个漫长的变化过程，一变二，二变四，四变八，最后形成几十万亿个细胞。这个变化过程也伴随着细胞的持续“衰老”。
这个衰老倒不是说这些细胞已经垂垂待死，而是说它们在逐步分裂堆积的过程中，伴随着一个所谓“潜能换功能”的过程：也就是说，细胞持续的分裂过程中，会逐步失去受精卵细胞所具备的无所不能的分化潜能，但同时会逐渐聚焦于执行单一的生物学功能，比如成为皮肤的一部分，成为大脑神经系统的一部分，等等。
这个过程有点像巨石从山头上滚下来的过程，在山顶的时候，巨石拥有无数种滚落的路径选择。在滚落下来的过程中，它的速度越来越快，这时候可供选择的路径会越来越少，直到跌落地面，在地面忠实地执行它被赋予的生物学使命，直到不可逃避地走向衰老和死亡。
长久以来，人们默认这个“石头滚落的过程”，也就是细胞衰老的过程，是绝对的单行道、完全不可逆。一直到2006年，日本科学家山中伸弥在《细胞》杂志发表论文[2]，证明在已经完成分化、也就是已经从山顶跌落到地面的细胞中，有些细胞能被重新“推上山顶”，变成具备各种分化潜能的干细胞状态。到底是哪些基因呢？这四个人为表达的基因分别是Oct4、 Sox2、Klf4和c-Myc，简称“OSKM”。在这里，我们干脆管它们叫“山中因子”。
这项研究快速引爆了整个生命科学领域，也很快有人开始在临床试验中，尝试用这样的方法治疗疾病。为什么会产生这么大的影响呢？道理很简单，原本可能需要做异体器官移植的患者，借用这项技术，可以用自己的身体细胞，加上“山中因子”重新诱导回干细胞状态，再定向分化成需要的器官，做一个自体移植就可以了。
举一个具体的例子。美国国家健康研究院在2019年启动了一项200人规模的临床试验，试图用这个办法治疗老年黄斑变性。他们把患者的身体细胞取出，重新“推上山顶”，变回具备分化潜能的干细胞，然后再定向分化成为视网膜细胞，注射到患者眼球中，替代那些过早死亡的视网膜细胞，挽救患者的视力[3]。
不过在上面这个案例里，我们讲的还是替换性的治疗思路。身体有细胞衰老死亡了，用“山中因子”重新诱导一批新的细胞去替代它。但很显然，这个思路没办法用来治疗生物个体系统性的衰老，因为你总不能把全身细胞都替换掉吧？
那换个方法，能不能不替换，直接把“山中因子”放到衰老动物的全身细胞里去，永久性地把这些细胞年轻化呢？还真有人试过这个方法，答案是不行。如此操作后小鼠全身多个器官会长肿瘤[4]。这个原因其实也不难理解，“山中因子”的作用是把已经完成分化的细胞重新“推上山顶”，让它们重新具备分化潜能，那这些细胞就可以随心所欲地“选择新的道路下山”，随心所欲地胡乱分裂和分化了。如果变成这样，那不就是癌细胞的特征么！
那这条抗衰老的路子，是不是就被彻底堵死了？其实也不是。不死心的研究者们又尝试了一个新的思路：既然持续供应“山中因子”会引发癌症，那能不能只是短暂地给身体细胞提供一点“山中因子”呢？我们不把身体细胞往危险的山顶推，推到半山腰让它找回一点青春活力，这样行不行？
2016年，美国索尔克研究所的科学家们尝试了这个思路，并且取得了巨大的成功[5]。他们发现，短暂地启动四个“山中因子”几天到十几天时间，不会导致肿瘤发生，反而会逆转小鼠身体细胞和多个器官的衰老，大大延长早衰症小鼠的寿命（从大约18周延长到了24周）。
当然你应该也发现了，这项很漂亮的研究有一个硬伤，它是在早衰症小鼠上做的验证，正常小鼠有差不多2年的寿命，而早衰症小鼠携带一个罕见的遗传变异，未老先衰，普遍只能活三四个月。显然，能让早衰症老鼠多活几周，和能让正常衰老的动物也重返青春，可能是性质完全不同的两件事情。
在2022年3月7日，美国索尔克研究所的科学家们在《自然-衰老》杂志上发表了一篇新的论文，对这个遗留问题有了进一步的解答[6]。这一次他们改在正常的小鼠体内，定期表达四个“山中因子”。估计是受实验条件的影响，他们并没有观察这些小鼠的寿命是不是真的得到了显著延长——可能是因为要完成观察小鼠寿命至少需要等两三年时间。但他们用了一系列别的方法来间接确认，小鼠的衰老是否得到了逆转，比如身体细胞的基因表达和染色体DNA的状态被显著改善，小鼠伤口愈合的能力得到了增强，小鼠的整体代谢状况也得到了改善，这些都是正常衰老中常见的问题。
除此之外，这项研究还有一个比较重要的发现。限于早衰症老鼠的寿命，他们之前只测试了几天到十几天“山中因子”刺激的效果，这次在正常老鼠中，他们测试了长达7-10个月的“山中因子”刺激，发现在逆转衰老的同时，没有带来任何肿瘤风险。
这当然大大增强了人们对这项技术安全性的信心。毕竟在人体中进行四个基因的遗传操作还是相当冒险的举动，时间窗口也很难把握得特别精准，要是几个月的操作都安全，我们就更可以放心在人体中测试几天这种时间尺度的抗衰老操作了。
还有一点，值得注意的是，这条逆转衰老的技术路线，还能选择性地在重点器官里使用。在2020年，哈佛大学的一样研究还证明，只在小鼠的视网膜里表达“山中因子”（更准确地说是OSKM其中的三个），能够显著地逆转视网膜细胞的衰老，提升视网膜的再生和修复能力[7]。
在我看来，这可能是这项技术路线，更有价值的应用场景。我们不妨设想一下这样的画面：在未来，我们可以用包括节食、运动、二甲双胍在内的更简单易行的方法来对抗全身的衰老。还可以用“山中因子”组合来对抗身体中被衰老重点打击的器官和组织（这个可能还因人而异），最终实现长命百岁的理想。
本期报告要介绍的第二个话题，是一项基因治疗领域的重要技术进步。
2022年3月23日，美国麻省大学的科学家们在《自然》杂志发表论文，在小鼠体内验证了一种新的基因治疗技术。他们开发的一系列人工tRNA，能够跨越一系列和蛋白质翻译提前终止有关的遗传缺陷，可能会成为一种用于多种遗传病治疗的普适性工具。
基因治疗这个概念，我们在往期的巡山报告里也没少涉及。它往往和遗传病这个概念成对出现。所谓遗传病，指的是人体基因组DNA上特定位置出现变异，破坏了特定基因的功能，所导致的疾病。这类疾病往往从出生时就携带致病基因变异，可能来自父母双方，也可能是在胚胎发育过程中随机形成的。我们很熟悉的红绿色盲、血友病、地中海贫血症都是这样的遗传疾病。既然疾病是基因的错误引发的，那么引入正常基因或者修复错误的基因，就天然成为治疗这类疾病的手段。
根据遗传病的发病特点，基因治疗也有几个不同方向的思路。比如，有些疾病是由于正常基因序列被破坏引起的，那么基因治疗的思路就可能是给人体细胞引入一个新的基因。比如说呢，人类历史上最早尝试的基因治疗，是针对ADA基因（腺苷脱氨酶）缺陷引起的免疫系统障碍，医生们从患者体内抽取免疫细胞，将一个序列正常的ADA基因插入这些细胞的基因组当中，再将免疫细胞输回体内。
再比如，有一些遗传病是因为正常基因过度活跃导致的，这时候治疗思路就是引入工具破坏，或者抑制这些过度活跃的基因。我们在第23期巡山报告中提到过一家名叫Alnylam的公司，它就专门利用一种叫做RNAi的技术设计药物，干扰这些过度活跃基因的表达。在2018年，这家公司的第一款药物Onpattro获批上市，用于治疗淀粉样变性（hATTR）这类遗传疾病[8]。
除了简单地增强或者减弱，基因疗法还有一些更复杂的应用。我们也举个例子。在第18期巡山报告里，我们提到过地中海贫血症的基因治疗。在2019年，美国有两个针对地中海贫血症的基因编辑药物，进入人体临床试验。它们分别是圣加蒙公司主导的ST-400[9]和CRISPR Therapeutics公司主导的CTX001[10]。两个研究采用了不同的基因编辑技术路线，但是思路大同小异。它们并不是直接影响地中海贫血症的缺陷基因（alpha或者beta珠蛋白），而是通过基因编辑操作，启动了另一个在成年人体内没有活性的gamma珠蛋白基因，起到了补救效果。
这次我们要讨论的，是基因治疗的另一个更有技术挑战的应用，针对的是一类特殊的遗传疾病，在这类疾病中，基因缺陷是由一类特殊的基因变异，无义突变所引起的。
无义突变这个概念需要先解释几句。你应该知道在正常的基因序列中，三个相邻的DNA或者RNA碱基组成一个所谓的密码子，对应蛋白质序列中一个特定的氨基酸。比如GAA三碱基对应的就是谷氨酸。DNA和RNA依靠这种简单的方式，来指导细胞内蛋白质的生产。而除了对应20种氨基酸的身份之外，还有几个三碱基密码子对应的是终止信号，当蛋白质生产到这里就知道该停下来了，保证蛋白质不会无休止地延伸下去。这些就是所谓的终止密码子无义密码子（UAA UAG UGA）。每一个基因的末尾都会有这样的无义密码子，来终止蛋白质合成的过程。
在大约10%的遗传疾病中，基因内部本来代表某个特定氨基酸的密码子发生了变异，变成了无义密码子，而结果就是虽然可能仅仅只有一两个碱基的差异，但是蛋白质合成却受到了剧烈地干扰，因为蛋白质生产过程会在不该停下来的地方就提前停了下来。这会导致细胞内出现一堆半截长短没有作用的蛋白质，或者更恶劣，还会干扰正常功能的半截蛋白质。这就是无义突变的概念了。
这次我们要讨论的研究，用了一个巧妙的思路解决了这个问题。
这里要再铺垫一点背景知识。在指导蛋白质合成的时候，一种名叫Transfer RNA（转运核糖核酸，简称“tRNA”）的分子起到了桥梁作用。它的分子结构很有趣，一头可以识别RNA序列上的三碱基密码子，另一头则可以携带一个特定的氨基酸，比如刚刚我们提到的GAA对应谷氨酸，就相应地存在一头识别GAA，一头装载谷氨酸的tRNA分子。这样一来,它就可以根据RNA序列把一个个特定的氨基酸搬运过来组装在一起,形成完整的蛋白质链条。而终止密码子显然是没有对应的tRNA的。
因此，想要跨越不该出现的终止密码子，研究者们的思路是，专门设计一种人工的tRNA，让它一头识别终止密码子，一头携带一个正常的氨基酸。如果把这种tRNA放入患者细胞内，当患者的细胞在制造出了有问题的蛋白质、遭遇错误出现的终止密码子的时候，这种人工tRNA就会搬运一个氨基酸上去，让生产流程能够持续向下，保证完整蛋白质链条的生产过程不会半途而废[11]。
在2022年3月23日，美国麻省大学的科学家们在《自然》杂志发表论文，第一次在动物模型里测试了人工tRNA治疗遗传疾病的可能性[12]。他们首先开发了一系列人工tRNA，可以把终止密码子读取成各种不同的氨基酸。然后他们还把这些tRNA的序列，装进了一种人工改造的病毒（rAAV，重组腺相关病毒）内部。这样一来，通过病毒感染，他们就可以把这条工具投送到动物体内的不同细胞里去。
研究者们选用了一种叫做“黏多糖贮积症”的罕见遗传病，作为研究对象。在这些患者体内，IDUA基因内部出现了不该出现的终止密码子，导致一个叫做α-L-艾杜糖醛酸酶的蛋白质缺乏，多糖过度累积，引起包括头部异常增大、发育障碍、腹泻和攻击性行为等在内的很多健康问题。
研究者们用携带基因治疗工具的病毒，感染携带类似基因变异的小鼠，将人工tRNA投送到小鼠细胞内，结果确实发现，小鼠多个器官果然都恢复了部分IDUA基因的正常功能。多糖累计现象显著降低，而且效果还能持续半年以上。根据这些数据可以判断，这种基因治疗工具确实能够跨越无义突变带来的遗传缺陷。
关于这项研究，其实还有一正一反两个要害值得多说几句。我们已经知道有大量遗传疾病都是这种无义突变引起的，它们具体所在的基因位置不同，影响的生物学功能不同，但从原理上说，上述这种工具可以无差别的用于这些疾病的治疗——因为反正都需要跨越无义突变，保证蛋白质链条能够持续生产的。也就是说，这项研究找到的，可能是一种能够用于多种遗传病治疗的通用型工具。
与此同时，这项技术潜在的问题其实也在这里。我们已经知道，每个正常基因的末尾也同样会有终止密码子来终止蛋白质的组装过程。而这类tRNA工具其实是无差别跨越所有终止密码子、持续蛋白质生产的。既然如此，它是不是有可能把所有正常的蛋白质都给变得异常的长，彻底扰乱细胞的正常生活呢？这个可能性是无法完全排除的。但研究者们仔细分析了细胞内其他蛋白质的生产过程，发现正常蛋白质被人为变长的概率并不高，这可能是因为在正常基因的末尾，终止信号会有好多个，不完全依赖单一的终止密码子起作用。但无论如何，这仍然是一个值得高度关注的问题。
好了，这就是本期巡山为你介绍的两项研究。
除此之外，还有一件关于咱们巡山报告的大事，我要在这里要给你做个汇报。
从2019年3月6日正式启动到现在，巡山报告栏目已经陪你走过了3年多的时间。正如咱们在发刊词中曾经说过的那样，对于生命科学来说，我们身处在一个波澜壮阔的伟大时代。这个大时代当中所有光明和黑暗的角落，都可能对我们每个人、对我们所有人产生影响。
在巡山的这三年多里，我想，这个任务我做得还不错。我用将近30万字的文稿、840分钟的音频，超过500篇的参考文献，为你详细梳理了接近100件生命科学大事件，这里面有关于生物进化和大脑奥秘的基础研究突破，有基因编辑和干细胞领域的前沿技术发展，有重磅新药和治疗方法的深入解读，也有这个领域内无法避免的各种争议和问题。
当然，除此之外，我也花了不少时间，为你梳理围绕新冠这个一百年来最大的全球公共卫生事件的各种重要新进展。这三年来，有12万名得到同学选择跟我一起巡山，写下了2755条留言和讨论，在这里，要特别感谢你的陪伴和支持。
在过去3年多的时间里，巡山报告在每月6日准时和你见面，风雨无阻。但是在2022年4月6日，巡山报告第38期播出之后，我打算按下一个小小的暂停键，和你暂别一段时间。
那在暂别的这段时间里，我希望重新回到巡山报告的原点，对巡山报告的内容方向做一下系统的梳理、总结和改进。
相信你不用等太久，我就会很快回来，在新的年度课程中继续我们这份巡山的事业。不管你是生命科学领域的专业从业者，还是关心人类世界前途命运的奋斗者，都值得花点时间理解生命科学正在把我们带向何方。希望到时候再邀请你一起，每月看透生物医药大时代里那些激动人心、发人深思、引人畅想的重要事件。
参考文献
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-019-1365-2
[2]https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(06)00976-7
[3]https://www.nih.gov/news-events/news-releases/nih-launches-first-us-clinical-trial-patient-derived-stem-cell-therapy-replace-dying-cells-retina
[4]https://www.nature.com/articles/nature12586；https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(14)00015-4?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867414000154%3Fshowall%3Dtrue
[5]https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(16)31664-6?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867416316646%3Fshowall%3Dtrue
[6]https://www.nature.com/articles/s43587-022-00183-2
[7]https://www.nature.com/articles/s41586-020-2975-4
[8]https://www.biospace.com/article/alnylam-receives-fda-approval-for-first-ever-rna-interference-therapeutic/
[9]https://www.genengnews.com/news/sangamo-sanofi-show-positive-early-data-for-scd-gene-edited-cell-therapy/
[10]https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMoa2031054
[11]https://www.nature.com/articles/s41467-019-08329-4
[12]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04533-3 
狗仔卡
发表于 2024-9-18 01:49 PM
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