人類基因組中的“暗物質”
解密衰老的一把“鑰匙”
延緩衰老，是人類追求有質量生活的永恒主題。科學家們試圖通過多種方法解密衰老，其中，被稱為人類基因組“暗物質”之一的古病毒，成了人們了解衰老的一把“鑰匙”。中國科學院衰老與再生研究團隊提出了古病毒的“復活”會驅動衰老及相關疾病的新理論，為理解衰老的內在機制和發展延緩衰老的干預策略提供了新依據。這項成果，入選國家自然科學基金委員會評為2023年度“中國科學十大進展”。
ERV古病毒，人類基因組中的“暗物質”
國家統計局公布的最新人口數據顯示，截至2023年末，我國60歲及以上人口為29697萬人，占總人口的21.1%，其中65歲及以上人口為21676萬人，占總人口的15.4%。解開衰老的奧秘，讓人們的生活更有質量，是科學家們永恒的研究主題。
我們研究的視角聚焦在病毒上。在日常生活中，病毒總是跟疾病相關聯。其實，病毒與人類的關系源遠流長，與病毒之間的持久斗爭和協同進化也是人類演化的重要推動力之一。一方面，病毒使人類飽受疾病甚至死亡的困擾，并在此過程中對人類基因組進行不斷地利用與改造；另一方面，人類自身的免疫系統也會積極對抗病毒的入侵，或有效清除這些外來微生物，或使得整合到人類基因組中的病毒序列逐漸被宿主細胞的遺傳調控系統接管，以實現協同進化。
內源性逆轉錄病毒（Endogenous Retrovirus，ERV）便是數百萬年前遠古病毒入侵并整合到人類基因組的遺跡——“古病毒化石”。這些被宿主細胞俘獲的ERV遺傳信息，在漫長的歲月中經過突變、缺失等變異，逐漸演化成人類基因組中的“暗物質”之一，并作為重要的基因記憶被保留下來，占據了整個人類基因組序列的8%左右。因此，在生命的孕育及演化過程中，遠古病毒呈現出一種貌似與人類和諧共生的景象。
這種古病毒和衰老有什么關系呢？
衰老是機體隨著年齡增長而發生的結構和功能的衰退過程，是許多人類慢性疾病發生的最大風險因素。細胞衰老是機體衰老及各種衰老相關疾病發生發展的重要誘因，表觀遺傳的程序化改變被認為是決定細胞衰老進程的關鍵因素。人類基因組中潛藏著諸多“老化信號”，這些信息流通常受到表觀遺傳的嚴密調控而處于沉默狀態。但是，隨著年齡增長，這些“老化信號”會因表觀遺傳失序而逃離管控，進而促發細胞內的一系列衰老程序。
而占據人類基因組序列較大比例、如“死火山”般沉寂的ERV古病毒元件，是否會掙脫“封印”再次蘇醒，并參與衰老的程序化調控？這仍未可知。因此，深入解析ERV在細胞衰老中的變化、作用和機制，將有助于我們更加全面地理解衰老、評估衰老、干預衰老，進而為有效防治衰老相關疾病，為積極應對人口老齡化提供新思路。
ERV古病毒“復活”，是否參與衰老進程
我們利用基因編輯技術構建了人類早衰癥間充質干細胞衰老研究模型，以模擬兒童早衰癥和成年早衰癥。基于上述模型，通過繪制多維表觀基因組及轉錄組圖譜，我們發現細胞衰老過程中表觀基因組的“熵增”會伴隨著一系列基因的異常表達，其中，以ERV的激活最引人注目。
借助單分子RNA熒光原位雜交、免疫熒光及電鏡實驗，我們在這些衰老細胞中檢測到了ERV轉錄本、蛋白及病毒樣顆粒的顯著增加。為了確定ERV的激活如何影響細胞衰老，我們利用基因編輯策略介導的靶向激活技術操縱ERV的表達水平，發現激活ERV會誘導細胞加速衰老，從而證實了ERV的“復活”，是細胞衰老的罪魁禍首。
隨后，我們探究了導致ERV復活的潛在調控機制，發現衰老細胞中DNA甲基化的喪失、異染色質組蛋白標記H3K9me3的減少以及激活性組蛋白標記H3K36me3的增加，可能是驅動ERV激活的上游事件。利用甲基化酶抑制劑處理年輕的細胞，降低其DNA甲基化水平，則會激活ERV的表達并加速年輕細胞的衰老。因此，這些表觀“封印”的松動使得ERV古病毒得以蘇醒，進而導致了衰老。
然而，ERV古病毒又是如何導致衰老進程的開始呢？一方面，我們發現ERV反轉錄產物在衰老細胞的胞漿中蓄積，進而促發天然免疫通路的級聯反應。這種本能的細胞抗病毒反應意在降低病毒的損害，然而卻事與愿違，這一防御性機制卻恰恰導致了炎癥信號的活化，并最終加速了細胞的早衰。另一方面，在衰老細胞的培養上清中，我們檢測到了被釋放出來的ERV病毒顆粒，發現這些古病毒顆粒可通過旁分泌或體液介導的方式，在器官、組織、細胞間有效傳遞并放大衰老信號，最終使得年輕細胞因受“感染”而老化，而使衰老具有了“傳染性”。
除了上述人早衰癥干細胞模型，我們還在復制性衰老、生理性衰老的人干細胞模型以及人成纖維細胞衰老模型中觀察到了ERV的上調表達。此外，我們也在小鼠和食蟹猴的生理性、病理性多器官衰老模型中，以及老年人群的皮膚和血清中檢測到了ERV的激活。這些結果表明，ERV的“復活”可以作為跨物種、多組織、多細胞類型衰老的保守性分子標志，具備成為臨床上衡量人體衰老程度指征的潛力。
“封印”ERV古病毒，能否阻止衰老？
基于上述發現，我們能不能通過發展一系列新型干預技術以重新“封印”這些ERV古病毒元件，阻止或延緩衰老？
我們在細胞水平進行了一系列“封印”古病毒的嘗試，結果發現，利用基因編輯介導的基因抑制和短發夾RNA（shRNA）介導的基因沉默技術，降低ERV的表達水平可以有效延緩細胞衰老。隨后，利用逆轉錄酶抑制劑阿巴卡韋阻斷ERV的反轉錄過程，同樣可以有效減少ERV的活化、減輕細胞的炎癥反應，進而改善衰老相關表型。進一步，通過發展針對ERV的中和抗體技術，我們成功實現對病毒顆粒的靶向清除，從而阻斷了衰老信號“傳染”放大的途徑，同樣使得細胞的衰老表型得以延緩甚至逆轉。
基于小鼠衰老模型，我們概念性地驗證了上述細胞衰老干預策略在體內阻斷ERV復活、緩解組織乃至機體衰老的可行性。
首先，我們通過向老年小鼠關節腔內注射靶向抑制小鼠ERV的慢病毒載體，成功抑制了ERV古病毒的激活，使老年小鼠關節軟骨組織的炎癥和衰老指標得以減輕，同時，也促進了關節軟骨的組織再生以及生理機能。
其次，通過向老年小鼠關節腔內注射阿巴卡韋，同樣實現了關節軟骨衰老表型的緩解及再生能力的提升。
最后，我們將阿巴卡韋溶解在飲用水中，對老年小鼠進行為期6個月的處理，發現與對照組相比，口服阿巴卡韋的小鼠表現出更強的抓力、更好的體能以及記憶能力的改善。有意思的是，在另一項研究中，阿巴卡韋也可以延緩人神經元以及老年小鼠腦組織的衰老和炎癥，進一步證實了靶向ERV干預衰老的有效性。
通過對ERV古病毒不同生命周期環節的解析，我們開發出可有效抑制ERV“復活”或清除病毒顆粒的干預策略，即通過發展靶向ERV調控元件的基因沉默體系、靶向逆轉錄酶的小分子抑制藥物、靶向病毒包膜蛋白的中和抗體等技術，成功阻斷了ERV的轉錄、反轉錄、病毒級聯感染等多個環節，實現了ERV古病毒的重新“封印”，并阻斷了衰老的進程。
這一研究成果已發表在國際學術期刊《細胞》上。有評論認為，“該研究為衰老的潛在機制提供了新的見解，并表明ERV的激活可能是衰老的驅動力，使用ERV作為預測生物年齡和確定治療靶點的潛在生物標志物，可以提高我們對衰老的理解，并推動開發新的干預措施來促進健康衰老”。
應該說，我們的研究首次系統性揭示了衰老誘導的內源性逆轉錄病毒復活可以作為細胞、組織、器官乃至機體衰老的驅動力及度量標志物。在理論方面，該研究創造性地將ERV古病毒的“復活”和“傳染”，確證為新的衰老時鐘和驅動因素，提出了新的衰老的程序化、跨細胞傳遞及可干預性。在技術方面，該研究綜合運用多維表觀基因組、轉錄靶向操控、單分子成像、病毒學、免疫學、化學生物學和分子病理學等多學科前沿交叉技術，動態捕獲了ERV古病毒的復活、包裝、跨細胞傳遞、激活天然免疫通路等生物學過程，成功刻畫了ERV在衰老過程中的完整生命周期軌跡，開創了新的衰老研究范式。在轉化醫學方面，該研究以ERV古病毒復活鏈條的不同環節為靶標，發展出多樣化的衰老干預技術，包括遺傳調控、小分子藥物、中和抗體等，為衰老相關疾病（如骨關節炎等）的防治提供了新的策略，為衰老相關轉化醫學應用提供了潛在路徑。
當然，衰老是一個綜合性的過程，我們的研究僅僅揭示了衰老機制的一個側面。接下來，我們希望應用更多手段，不斷揭開衰老的機制和奧秘，幫助人類最終理解衰老、戰勝衰老以及衰老帶來的多種慢性疾病！
（作者：武澤明，劉曉倩，曲靜，分別系中國科學院動物研究所特別研究助理，助理研究員，研究員）
