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几十年来，利用诸如老鼠和果蝇等生物模型开展研究的生物学家们一直担心，他们的发现与人类的会不会相差甚大。使用一种进化上更接近人类的模型，比如另一种灵长类动物，可能会缩小这一令人沮丧的差距。2018年8月22日Nature在线发表的一篇论文报道，中科院等单位的科学家们使用CRISPR-Cas9基因编辑技术来制备SIRT6基因缺失的食蟹猴。值得关注的是，他们发现SIRT6蛋白在食蟹猴胚胎发育过程中发挥了重要作用，这是以前在小鼠身上没有发现的。 哺乳动物SIRT6从组蛋白中移除乙酰基。DNA被缠绕在细胞核内的组蛋白周围，这种脱乙酰化作用使DNA被压缩，从而抑制基因表达[2]。在小鼠中，SIRT6被认为是一种长寿蛋白，可以调节许多在衰老过程中发生变化的因子，包括基因组稳定性、炎症和代谢[2]。的确，在雄性小鼠中过度表达SIRT6会改善健康状况并延长寿命[3]，而SIRT6表达量不足的小鼠在出生后几周死亡，表现出过早衰老的特征[4]。 SIRT6是否与人类长寿有关尚不清楚。然而，最近的数据显示[5]，人类SIRT6的失活突变导致胚胎干细胞某些基因的过度表达，并导致发育畸形和严重的大脑缺陷，从而导致胚胎死亡。这些发现表明SIRT6在胚胎发育中的作用以前未被认识到，这应该与它在衰老中的作用分开考虑。 中科院动物所胡宝洋课题组等团队用CRISPR-Cas9技术制备了一个雄性和三个雌性食蟹猴胚胎，它们不表达SIRT6。雌性在出生后不久死亡，而雄性在怀孕中期死亡。缺少SIRT6会导致严重的全身发育迟缓。与野生型新生儿相比，突变体的骨密度较低，皮下脂肪含量较低，肠、骨骼肌未成熟。作者们还发现，SIRT6缺失的猴子由于神经元的延迟成熟和未成熟的神经祖细胞数量的增加而导致大脑体积更小。总的来说，SIRT6基因突变的动物出生时比对照组小得多，其基因表达和形态学特征更接近于一个典型的3个月大的胚胎，而不是怀孕6个月后出生的足月动物(图1)。 图1 SIRT6基因在灵长类动物发育中的作用 中科院动物所胡宝洋课题组等团队使用基因编辑技术制备了不表达SIRT6的食蟹猴胚胎。野生型食蟹猴在怀孕6个月后出生。在这些动物中，SIRT6蛋白抑制了H19基因的表达。SIRT6缺失的猴子在出生几个小时后死亡。这些动物有主要的发育缺陷，在发育2到4个月的时候大小与野生型胎儿相近。值得注意的是，SIRT6缺失的动物的大脑小而不成熟，而这种缺陷伴随着H19表达的显著增加。 鉴于已知SIRT6在抑制基因表达中的作用[2]，胡宝洋等团队检测了突变体中基因表达量的变化。H19是最容易被上调的基因之一，它可以编码一种长链非编码RNA，这种RNA可以调节胎儿的生长。在所有检测的组织中H19表达水平均升高，表达量最高的是大脑。 接下来，作者们使用了一种不同的基因编辑方案，在体外制备SIRT6缺失的人类神经祖细胞，而且实验证明，与野生型细胞相比，这些细胞向神经元的分化延迟。这种缺失伴有更高水平的H19 RNA。最后，研究小组发现SIRT6去除了与H19转录相关的乙酰基，表明在SIRT6缺失的人类细胞中减少H19的表达可以解决其神经分化的缺陷问题。因此，SIRT6抑制H19的表达以调节人类细胞的神经发育，就像食蟹猴的一样。 这些结果提示我们，为了揭示背后的原因，还有很多工作需要进一步开展。例如，SIRT6的缺失改变了各种组织中数千个基因的表达，而H19不太可能是导致观察到缺陷的唯一基因。事实上，一种被称为Silver-Russell综合症的人类发育障碍可以由H19水平的升高引起，但与SIRT6缺失的猴子不同，患有这种障碍的猴子寿命正常，发育过程中的变化也不那么严重[6]。这一差异表明，除了H19之外，SIRT6的调节基因也导致了这种基因突变猴子的严重症状。在SIRT6缺失的动物中，很难确定导致发育缺陷的精确基因，但这应该在将来进行研究。 从进化的角度来看，对SIRT6的研究显得非常有吸引力。在所有被研究的哺乳动物中，该基因的缺失都会导致过早死亡，而且这种蛋白质具有相同的酶活性，参与了葡萄糖代谢和干细胞分化[7]。然而，随着物种进化越来越高级，从老鼠到猴子再到人类，SIRT6缺失所导致的一些症状变得越来越严重。SIRT6缺失的老鼠在出生后几周到几个月就会死亡[8]，而猴子在几个小时内就会死亡，而携带SIRT6失活突变的人类甚至还没有出生就死亡。这可以通过SIRT6在进化过程中获得的调节作用来解释。在SIRT6缺失的灵长类动物中发现的严重大脑缺陷在小鼠中还没有报道过，这种变化与这些物种大脑复杂性的差异密切相关。进一步探索这种症状随着进化级别越来越高而变得越来越严重的的原因将是非常有趣的。 关于SIRT6在人类衰老过程中的作用，我们可以从这个灵长类动物模型中了解到哪些呢？乍一看，猴子的发育缺陷与衰老之间没有明显的联系，因为它们处于生命周期的两端。然而，SIRT6调控的关键通路在这些物种之中是保守的，而且全基因组关联研究发现SIRT6与人类寿命延长之间存在关联[9]。这些事实，再加上有数据表明SIRT6有助于保护大脑免受老年痴呆症等与衰老有关的疾病的影响[10]，有力地证明了多功能SIRT6蛋白可能促进人类健康长寿。在未来，CRISPR工程的发展可能使基因编辑发生在特定的组织，并在特定的时间点。如果实现了后者，研究SIRT6在灵长类动物寿命中的作用将是令人着迷的。 总而言之，基因组编辑是未来人类治疗的一个令人兴奋的策略。然而，挑战在于如何诱导所需的基因编辑的同时，避免产生非产生特异性突变或嵌合胚胎。很有希望的是，胡宝洋等团队在他们的突变动物中没有发现嵌合现象或可检测到的脱靶突变，而在猴子中使用CRISPR的另一组实验也没有发现脱靶突变效应[11]。尽管仍有许多伦理和技术上的问题需要考虑，但作者们的成就——以及在人类胚胎方面的类似成功[12]——给了人们希望，使用CRISPR技术的人类基因疗法将在未来成为可能。 参考文献： 1.Zhang, W. et al. Naturehttps:///10.1038/s41586-018-0437-z(2018). 2.Tennen, R. I.& Chua, K. F. Trends Biochem. Sci.36, 39–46 (2011). 3.Kanfi, Y. et al. Nature 483,218–221 (2012). 4.Mostoslavsky,R. et al. Cell 124, 315–329(2006). 5.Ferrer, C. M. et al. Genes Dev. 32,373–388 (2018). 6.Abu-Amero, S. et al. J. Med. Genet. 45,193–199 (2008). 7.Tasselli, L.,Zheng, W. & Chua, K. F. TrendsEndocrinol. Metab. 28,168–185(2017). 8.Peshti, V. et al. PLoS One 12,e0176371 (2017). 9.Hirvonen, K. et al. BMC Med. Genet. 18,41 (2017). 10.Kaluski, S. et al. Cell Rep. 18,3052–3062 (2017). 11.Zuo, E. et al. Cell Res. 27,933–945 (2017). 12.Ma, H. et al. Nature 548,413–419 (2017). |
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