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科學家正在修改細胞過程以延緩衰老

科學家正在修改細胞過程以延緩衰老
  • 科學家發現了一種潛在的解決方案,可以防止細胞在老化過程中以預期的速度衰退。  

  • 透過幹預細胞老化機制,就有機會重新連結老化控制系統,以減緩老化速度。 

  • 這項進步可以顯著延長人類的壽命。

本文由《科學日報》發表

在確定了老化過程背後的核心機制後,加州大學的研究人員發現了細胞驅動老化的兩個方向。 透過操縱這套系統,有機會延緩老化一段時間。 

這些發現發表於 科學, 解釋合成生物學的創新如何解決細胞隨著時間的推移而出現的常見磨損問題。 這個過程是透過改變所有動物、植物和人類細胞的核心特徵——基因調控迴路而實現的。 

基因調控迴路是老化機制支柱的一部分。 這種複雜的結構由基因網路和控制基因表現的調控架構所組成。 

將基因表現視為細胞中的指導手冊,指導它們如何發揮作用。 隨著年齡的增長, 你的表情模式改變了,有些基因變得過度活躍或活性不足,導致與年齡相關的功能障礙。 

該研究的資深作者、加州大學聖地亞哥分校合成實驗室的聯合主任、生物科學學院分子生物學系的南浩教授說:“這些基因電路可以像我們控制電器和汽車等設備的家庭電路一樣運行。”生物研究所。 

但是,雖然細胞在中央基因調控迴路上運行,但它們不會經歷相同的老化過程或時間線。 這類似於汽車因引擎磨損或變速箱問題而退化——雖然兩者都是老化的有效原因,但它們不必同時發生才會導致退化。  

加州大學的研究人員認識到細胞結構的這一前景。 他們開發了一種「智能老化」過程,透過從一種老化機製到另一種老化機制的循環惡化來延長細胞壽命。 

基因調控電路如何運作? 

如前所述,基因調節電路的工作原理與家用電器中的電氣開關類似,通常處於兩種狀態:開啟或關閉。 基因電路採用正回饋迴路來增強當前狀態,使其保持穩定,直到外部訊號觸發切換到替代形式。 

然而,這項研究中的研究人員並沒有設計一個切換開關,而是設計了一個負回饋迴路來延緩老化。 這種類似時鐘的裝置使細胞在兩種老化狀態之間來回切換,防止它們長時間陷入一種狀態。  

為了解釋這一點,專家們重新連結了控制細胞老化的基因。 這些基因不像家用電器中的開關那樣工作,而是將它們變成了一種生理時鐘,他們將其描述為「基因振盪器」。  

透過進行這種調整,細胞不會處於潛在有害的老化狀態,導致細胞的壽命比平常長得多。 

「這是首次以計算為指導的合成生物學,利用工程原理合理地重新設計基因迴路,重新編程衰老過程,從而有效地促進長壽。」郝說。 這些進步正在刺激人類壽命延長的潛在新記錄。 

然而,這並不是科學家第一次修改基因以發現延長壽命的新方法。 在一個 2019年學習 發表在雜誌上, 進化信件, 研究人員對蠕蟲進行了實驗,以確定與生長和壽命相關的胰島素受體基因。 透過研究這些生物的胰島素途徑,專家能夠將壽命延長兩倍以上。 

科學家也分解了遺傳功能,以正確理解我們為何以及如何以這種方式運作。 劍橋大學 Wellcome Trust-MRC 幹細胞研究所的研究人員 確定了驅動細胞分化的因素 使用專門的方法觀察具有一組染色體的幹細胞。 

這些專家可以透過將細胞線的組成成分放在一起來找到許多生物和醫學功能問題的答案。  

基因調控電路如何延緩老化過程 

重新連接基因調控電路是一項重大壯舉,因為它具有延緩老化的潛力。 這個過程可以透過影響 DNA 修復和細胞壓力反應來改善老化。 基因重組還可以針對並延遲衰老等特徵的發生,在衰老等特徵中,細胞失去了分裂和控制的能力。 

研究人員了解這種可能性的重要性。 在這項研究中,基因振盪器的發現是經過多年的研究,在此期間,研究團隊發現了細胞在老化過程中如何進化。 他們發現細胞在生命過程中會經歷一系列分子變化,直到退化和死亡。 

然而,他們發現了一些其他的東西——相同遺傳物質的細胞,位於相同的環境中,有時會透過不同的途徑老化。 

一方面,一半的細胞由於儲存遺傳訊息的 DNA 穩定性逐漸下降而老化。 另一方面,老化是由粒線體(細胞的能量產生單位)退化引起的。 

研究人員在他們的研究中指出:“我們的結果建立了基因網絡結構和細胞壽命之間的聯繫,這可能導致合理設計的基因迴路減緩衰老。” 

在研究過程中,團隊觀察到 釀酒酵母 酵母細胞作為人體細胞的模型。 他們發現,與在常規環境下老化的對照細胞相比,使用合成社交或設備重新連接酵母細胞的壽命顯著延長了 82%。 這導致了「我們在基因擾動中觀察到的酵母壽命最顯著的延長」。 

郝描述了這項令人印象深刻的壯舉,他說: 「我們的振盪器細胞的壽命比先前透過無偏見的基因篩選鑑定出的任何壽命最長的菌株都要長」。  

科學創新正在重新設計我們的生活方式以及我們能活多久的新可能性。 研究人員說得最好:「我們的工作代表了一個概念驗證的例子,展示了合成生物學在重新編程細胞老化過程中的成功應用。” 他們補充說,這項研究:“可能為設計合成基因電路奠定基礎,以有效促進更複雜生物體的壽命。” 

參考:

Harris SE、Riggio V、Evenden L 等。 1936 年洛錫安出生隊列中與年齡相關的基因表現變化,以及身體和認知老化特徵的轉錄組廣泛關聯研究。 老化(紐約州奧爾巴尼)。 2017;9(12):2489-2503。 doi:10.18632/aging.101333 

林德,媽媽, 等人。 2019. 實驗性減少胰島素/IGF成年期的 1 訊號傳導可延長父母的壽命並改善其後代的達爾文適應性。 進化信件 

Leeb M,Dietmann S,Paramor M,Niwa H,Smith A。使用單倍體胚胎幹細胞進行自我更新退出的遺傳探索。 細胞幹細胞。 2014;14(3):385-393。 doi:10.1016/j.stem.2013.12.008 



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