衰老的特征是生物体生理完整性和适应性的时间依赖性丧失,由多种趋同机制驱动,导致细胞损伤的积累,最终导致器官功能和组织稳态的下降。
遗传和表观遗传改变是功能和生理衰退的主要原因。人类和模式生物研究表明随着年龄的增长,机体会出现DNA损伤和突变、基因组不稳定性、DNA甲基化模式、组蛋白修饰和染色质重塑等现象。
端粒功能障碍是衰老的标志,并作为衰老过程和相关疾病发生的驱动器。此外,在衰老过程中端粒也会逐渐磨损。
端粒酶是一种核糖核蛋白复合物,负责延长端粒,维持端粒长度和基因组完整性。虽然对正常健康组织的细胞活力至关重要,但端粒酶活性在大多数成年体细胞中受到严格调节,主要是由于端粒酶的核心催化亚基——端粒酶逆转录酶(TERT)的转录抑制。
尽管有许多途径可以调节TERT基因转录,但每种途径及其相关启动子结合元件在调节细胞组织TERT转录中的重要性尚不清楚。
该研究发现TERT 激活剂TAC,可通过 MEK/ERK/AP-1通路上调TERT转录,进而延缓大脑衰老并减缓机体多种衰老特征。
鉴于基因 TERT 激活对衰老疾病的益处,研究人员开发了一种基于细胞的高通量筛选 (HTS) 检测方法,以便大规模筛选能够调节人类TERT转基因体内转录活性的小分子。利用该系统对来自加州生物医学研究所 (Calibr) 化合物库的 653,000 种化合物进行筛选后,经过一系列实验进行验证,最终确定小分子化合物TAC可独立于细胞或组织类型上调TERT。
染色质免疫沉淀和实时定量PCR (ChIP-qPCR)分析显示,TAC干预导致内源性FOS (AP-1复合物的一个亚基)募集到内源性TERT启动子中的两个AP-1结合基序。选择性AP-1T-5224特异性阻断FOS/AP-1与DNA的结合而不影响其表达,从而损害了TAC诱导的TERT表达。因此,这些数据表明TAC通过MEK/ERK/AP-1通路特异性激活TERT的转录激活。
随后研究人员想知道TAC 介导的 TERT 激活能否减缓小鼠的衰老,通过向小鼠腹膜内注射 TAC,基于质谱的药代动力学对 TAC 水平进行时间依赖性量化,结果显示 TAC 在血浆和中枢神经系统 (CNS)中具有良好的暴露水平。
经过 1 周的干预 ,发现小鼠衰老的特征显著改善。具体而言,用 TAC 处理的 PBMC 表现出对p16 Ink4a的抑制,p16 Ink4a 是体内衰老和老化的关键驱动因素和生物标志物,其他与衰老相关的分泌表型 (SASP) 成分( Il-1α、Il-1β、Mmp-3和Vegf等)也显著减少。TAC 干预同时诱导了生物体生长和自然杀伤细胞的活化。在多种组织中,为期一周的 TAC干预降低了中年小鼠的大脑、骨骼肌、肾脏、心脏和肝脏中经典衰老标志物p16 Ink4a的表达。
为了进一步探究TAC对大脑基因表达的影响,研究人员对中年(约12- 14月龄)小鼠的海马组织进行了RNA-seq分析。发现,TAC诱导与海马神经发生和脑功能正相关的基因表达显著增加。
此外,通路富集分析显示,TAC导致中年小鼠海马突触电位、轴突引导、海马/干细胞发育、端粒维持、神经母细胞增殖、多巴胺能神经发生/中枢神经系统神经元分化和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)家族信号级联相关通路的激活。
值得注意的是,免疫组织化学和免疫荧光分析表明,TAC治疗4周显著增加了海马齿状回(DG)中表达DCX的新生神经元的数量,表明TAC确实可以增强老年大脑的再生能力。因此,TERT的激活可诱导大脑“返老还童”。
综上所述,本研究发现一种小分子 TERT 激活化合物 (TAC),并揭示了 TAC 介导的TERT上调机制,探索了其对控制衰老的调节因子的影响。此外,TAC 可促进组织再生,包括新神经元的形成,并减轻了老年小鼠的多种衰老特征,这也为激活成年组织再生提供新的思路。
本文通讯作者Ronald A. DePinho教授表示:“这些临床前结果令人鼓舞,因为 TAC 很容易被所有组织吸收,包括中枢神经系统。但还需要进一步研究来正确评估其在长期治疗策略中的安全性和活性。不过,我们对驱动衰老过程的分子机制的深入了解已经发现了可行的药物靶点,使我们能够探索拦截各种主要与年龄相关的慢性疾病病因的机会。”
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