曲静/刘光慧/张维绮团队系统解码sirtuin长寿蛋白家族调控衰老的表观遗传机制 | Cell Press对话科学家

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2024年3月13日，Cell Press细胞出版社旗下期刊Developmental Cell发表了题为“The sirtuin-associated human senescence program converges on the activation of placenta-specific gene PAPPA”的研究论文。该研究深度探究了七个sirtuin家族成员通过调节染色质三维结构调控人干细胞衰老的作用，揭示了其共性调控的基因组热点区域；作为七个sirtuin蛋白的共同靶基因，胎盘特异蛋白PAPPA可因任何一个sirtuin蛋白的缺失而发生异位表达，进而触发细胞衰老程序。研究为阐明人类干细胞衰老机制提供了全新见解，同时也为评估和干预衰老提供了新的线索和思路。

中国科学院动物研究所曲静研究员和刘光慧研究员，中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）张维绮研究员为论文的共同通讯作者。中国科学院动物研究所博士研究生毕诗佳、蒋晓钰、季乾昭、王泽华，中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）任捷研究员，首都医科大学宣武医院王思研究员以及北京大学第三医院于洋教授为文章的并列第一作者。

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Sirtuin蛋白是一类从古细菌到人类高度保守的去乙酰化酶，其酶活依赖于辅酶因子β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NAD⁺，是通过热量限制延缓衰老策略的重要靶点，在多个物种中发挥着寿命调控相关的功能，被称为“长寿蛋白家族”。人类sirtuin家族包括7个成员（SIRT1-7），均具有NAD⁺结合和相对保守的催化结构域，然而在细胞中的定位和活力却不尽相同。由于研究手段的限制，目前尚缺乏针对人类SIRT1-7生物学功能的系统性比较，人们对它们在协同调控表观遗传景观和细胞稳态中的潜在作用也知之甚少。

研究人员通过基因组靶向编辑技术，获得了SIRT1-7分别敲除的人类胚胎干细胞，并将其定向分化为间充质干细胞。SIRT1-7中任一成员在间充质干细胞中的缺失均导致细胞的加速衰老。为了探究sirtuin不同成员调控人类间充质干细胞衰老的具体机制，研究人员通过ChIP–seq对sirtuin家族蛋白的经典底物H3K9ac、H3K18ac和H3K56ac进行了全基因组范围的分析。发现在任一sirtuin缺失后，这三种组蛋白乙酰化修饰的程度均增加，提示不同的sirtuin家族成员均直接或间接地参与了细胞核内的表观遗传调控。进一步，研究人员对sirtuin缺失的人间充质干细胞展开了多层次表观修饰图谱绘制，包括激活型和抑制型在内的多种组蛋白修饰（H3K27ac、H3K4me3、H3K4me1、H3K36me3、H3K9me3和H3K27me3）、DNA甲基化、染色质开放度、以及核纤层与染色质互作等。结合基于机器学习模型的染色质状态分析，研究人员发现sirtuin成员缺失可导致特定染色质区域出现激活型增强子状态的扩增，这些区域被定义为“sirtuin缺失敏感的基因组区域（sirtuin deficiency-sensitive genomic regions, SDSRs）”。

考虑到增强子活性的增加可能会导致染色质局部接触的重新建立，研究人员借助染色质构象捕获测序技术（Hi-C）探究了sirtuin蛋白缺失对染色质高级结构的影响，并观察到任一sirtuin缺失都会引起染色体内短距离相互作用增加。这种互作增加主要出现在富含SDSR的染色质拓扑结构域（TAD）内部，导致了增强子-启动子染色质环（E-P loop）强度增加，二者空间距离拉进，进而诱导一系列基因表达。胎盘特异基因PAPPA是SIRT1-7分别缺失后共性上调表达的基因，其异位表达介导了sirtuin蛋白缺失所致的促衰老效应。进一步研究表明，PAPPA的表达上调是多种类型人类细胞衰老的“共性驱动力”。此外，老年人血浆中PAPPA的蛋白含量显著高于年轻人，提示其可作为度量人类衰老的潜在的生物标志物。

综上，该项研究系统地刻画了sirtuin家族成员调控人类干细胞衰老的多层次表观遗传景观图，揭示了sirtuin蛋白协同捍卫染色质高级结构稳定性、拮抗促衰老基因表达的全新分子机制。研究加深了人们对人类衰老表观遗传调控的认识，为发展新型的衰老评估与干预策略提供了重要的思路。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请曲静研究员代表研究团队接受了专访，为大家进一步详细解读。

CellPress：

您认为本项目的研究意义是什么？

曲静研究员：

人类sirtuin家族（SIRT1-7）与早期生命形式中的单一同源蛋白（如酵母中的Sir2）高度保守，这些成员在进化上保留了与酵母Sir2同源蛋白类似的某些功能。我们的工作探究了整个家族成员对人类干细胞表观遗传调控的共性特征，提出了这样一个概念：每个人类sirtuin家族成员的存在对于维持人间充质干细胞的稳态都是至关重要的，缺了谁都会导致胎盘基因PAPPA异常高表达，进而开启衰老的程序。SIRT1-7蛋白与中国著名动画片《葫芦兄弟》中的“七个葫芦娃”相似，七兄弟团结一致，来共同捍卫干细胞的年轻态。

CellPress：

您认为本项目的主要创新点是什么？

曲静研究员：

通常认为增强子信号的改变与染色质高级结构重塑以及随后的基因表达变化密切相关。我们的工作发现任何一个sirtuin成员的缺失，都会引起增强子信号和三维结构的变化，进而影响基因表达，驱动人间充质干细胞衰老。此外，组蛋白乙酰化作为sirtuins的经典底物，在染色质不同层级结构的形成过程中发挥着重要作用。迄今为止，sirtuins是否通过调控染色质结构变化来介导衰老还未被阐述，我们的工作拓宽了人们对现有sirtuin功能的认知。

CellPress：

针对本研究，您觉得接下来还有哪些关键科学问题？

曲静研究员：

目前的工作主要以人间充质干细胞为研究对象，探究了sirtuin家族蛋白调控衰老的表观遗传调控机制，但机体内不同的细胞类型存在着高度异质性，sirtuins在其他成体干细胞和终末分化细胞中的作用仍然有待于进一步揭示。此外，以sirtuin-PAPPA通路为靶标进行新型小分子药物的开发，或有助于干预衰老和衰老相关疾病的进程。

作者介绍

 曲静

 研究员

曲静，中国科学院动物研究所研究员，博士生导师，聚焦细胞衰老与再生，通过系统关联衰老细胞的体内外表征与诱因，发展了检测与干预细胞衰老的新策略，为延缓衰老、防治衰老相关疾病提供了新型手段。研究成果：

http://ioz.cas.cn/staff/zh/qujinglab.html

刘光慧

研究员

刘光慧，中国科学院动物研究所研究员，博士生导师，主要研究方向是人类衰老的遗传和表观遗传信息解码，发展衰老的新型预警和干预策略。研究成果：

http://ioz.cas.cn/sourcedb_ioz_cas/zw/zjrc/201905/t20190514_5294619.html

张维绮

研究员

张维绮，中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）研究员，博士生导师，从表观、免疫和代谢等方面研究系统衰老机制，致力于利用AI等手段建立人群衰老指数（Aging Index），度量器官和机体衰老程度，推动衰老研究的转化医学应用。研究成果：

http://www.big.ac.cn/sourcedb_big_cas/zw/zjrc/yjy/201902/t20190227_5245403.html

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Developmental Cell上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

The sirtuin-associated human senescence program converges on the activation of placenta-specific gene PAPPA

▌论文网址：

https://www.cell.com/developmental-cell/abstract/S1534-5807(24)00107-2

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.devcel.2024.02.008

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