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祝贺!中国团队成果登Nature,颠覆“长寿基因”认知

2018/08/25 来源:生物探索
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导读
SIRT6,素有“长寿基因”的光环。近日,中国科学家们发现,这一明星基因还参与灵长类胚胎的发育过程。从生命终点到生命起点,这一最新研究揭示了“长寿基因”新的职责。


图片来源:Pixabay

8月22日,《Nature》期刊在线发表了这一篇题为“SIRT6 deficiency results in developmental retardation in cynomolgus monkeys”的文章。来自中国科学院生物物理研究所的刘光慧、动物研究所的胡宝洋和李伟课题组合作以食蟹猴为模型,利用CRISPR-Cas9基因编辑技术,实现了SIRT6基因的全敲除。

他们发现,缺乏SIRT6基因的新生猴子会表现出严重的生长缺陷,并在出生后几小时内就死亡。这一发现揭示了SIRT6蛋白在灵长类动物胚胎发育过程中发挥了作用,这是以前基于啮齿类动物研究这一长寿蛋白所没有发现的。


长寿基因

对于哺乳动物,SIRT6负责从组蛋白中去除乙酰基团。DNA被包裹在细胞核内的组蛋白周围,这种去乙酰化作用使被包裹的DNA凝结,抑制基因表达。

对于小鼠,SIRT6被认为是一种长寿蛋白,负责调控许多在衰老过程中发生改变的因素,包括基因组稳定性、炎症和代谢。事实上,雄鼠过度表达SIRT6可以改善健康状况并延长寿命,而缺乏SIRT6的小鼠会在出生后几周死亡,表现出过早衰老的特征。

SIRT6是否与人类长寿有关尚不清楚。然而,3月《Genes & Development》期刊上的一篇文章显示,人类SIRT6的失活突变会导致胚胎干细胞基因的过度表达,导致畸形发育和严重的大脑缺陷,最终引发胚胎死亡。这些发现表明,SIRT6或许还参与胚胎发育,这应该与它在衰老中的作用分开考虑。

构建缺失SIRT6的食蟹猴

在这项新研究中,中国团队使用CRISPR-Cas9技术创造了一个雄性猴子胚胎和三个雌性猴子胚胎,它们均不表达SIRT6。结果发现,雌性猴子在出生后不久就死亡了,而雄性胚胎在怀孕中期死亡。

缺少SIRT6会导致严重的全身发育迟缓。相比于野生型新生猴,突变小猴的骨密度较低、皮下脂肪含量较低,肠道和骨骼肌发育未成熟。

此外,研究团队还发现,缺乏SIRT6的猴子由于神经元的延迟发育以及未成熟神经祖细胞数量的增加,而拥有更小的大脑。

总体而言,SIRT6基因突变的动物出生时比对照组小得多,其基因表达、形态学特征更接近于一个典型的3个月大的胎儿,而不是怀孕6个月后出生的足月小动物。(如下图)


SIRT6基因在灵长类动物发育中的作用

背后的机制

考虑到SIRT6在抑制基因表达中的已知作用,研究团队检测了突变体中基因表达的变化。结果发现,H19是上调最显著的基因之一,其编码一种长链非编码RNA,后者负责调控胎儿的发育。H19在所有被检测样本中均表达超标,特别是大脑中表达最高。

随后,研究团队使用了一种不同的基因编辑方法,在体外培育出缺乏SIRT6的人类神经祖细胞。结果显示,与野生型细胞相比,这类突变细胞向神经元的分化延迟。而且,细胞过表达H19基因。最终,研究团队发现,SIRT6会去除与H19转录相关的乙酰基。这表明,缺乏SIRT6的人类细胞通过减少H19的表达可以解决其神经分化的缺陷。因此,SIRT6通过抑制H19的表达来调节人类细胞的神经发育,就像猴子一样。

进一步分析显示,SIRT6的缺失改变了各种组织中数千个基因的表达,而H19不太可能是导致缺陷的唯一基因。事实上,一种罕见的发育障碍Silver–Russell syndrome被证实源于H19的过表达,但是与缺乏SIRT6的猴子相反,这类患者寿命很长,且生育缺陷并没有那么严重。这一差异表明,除H19之外,SIRT6调控的其他基因同样与突变猴子的严重缺陷有关联。

SIRT6的“光环”

从进化的角度来看,SIRT6非常迷人。在所有被研究的哺乳动物中,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,参与葡萄糖代谢和干细胞分化。

然而,在从小鼠、猴子到人类的进化阶梯中,SIRT6缺失所导致的一些特征变得越来越严重——SIRT6缺失小鼠在出生几周至几个月内死亡,缺陷猴子会在几小时内就死亡,而人类甚至于无法活至出生。

这一新发现揭示了SIRT6作为表观遗传因子可以调节灵长类动物的出生前发育,对于深入理解人类因子宫内发育迟缓而导致胎儿流产或新生儿死亡的原因。

参考资料:

Role for the longevity protein SIRT6 in primate development

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