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Nature重磅综述:哈佛学者阐明衰老的本质——细胞逐渐“忘记自己是谁”

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关于衰老,已有多种理论解释,但其最根本的机制仍未完全明确。

2026年9月30日,来自哈佛医学院布莱根妇女医院的研究团队在Nature杂志发表题为“Written in development and lost in ageing: the grammar of cellular identity”的重磅综述。

该综述提出一个新的理论框架:衰老本质上可能是细胞身份的逐渐丧失过程,其核心原因是发育过程中建立的染色质调控规则,在成年后只能依赖局部、低保真的维持机制,因此随着时间推移不断发生漂移。

研究人员将这一套决定细胞“应该是什么、能够表达什么以及不能表达什么”的调控约束称为细胞身份的“语法”。这一理论建立在Waddington表观遗传景观基础上,认为发育阶段通过高度协调的染色质程序建立深而稳定的细胞状态“吸引子”,而成年后缺乏重新书写这些程序的全局机制,最终导致细胞身份逐渐失稳。



研究人员首先将细胞身份的维持划分为三个相互耦联的层级。快速层(fast layer)包括转录因子结合、增强子激活以及应激信号,作用时间尺度为分钟至小时;中间层(intermediate layer)对应静息、激活、炎症和应激等可逆细胞状态转换,通常发生在数天至数周;慢速层(slow layer)则由Polycomb介导的染色质抑制、双价启动子、DNA甲基化、核纤层相关区域以及染色质空间结构组成,决定一个细胞长期“能够表达什么”。年轻细胞中,慢速层形成深的表观遗传吸引子,使短暂的应激信号不会轻易改变细胞身份;随着年龄增长,慢速层逐渐松动,使原本可逆的快速层波动转化为持续性的转录和表观遗传改变。



研究人员进一步提出,细胞身份并不是简单由某一个关键转录因子维持,而是由谱系决定性转录因子与慢速染色质约束共同构成的网络。转录因子负责主动维持细胞类型特异性程序,而慢速层则通过PRC2、H3K27me3、DNA甲基化和染色质空间结构压制潜在的替代命运。当慢速层完整时,即使AP-1等应激转录因子短暂激活,细胞也能够恢复原有状态;而衰老过程中PRC2功能下降以及H3K27me3减少,会降低异常转录因子进入非身份区域的阈值,使反复应激逐渐转化为持久的染色质改变。因此,作者将这一过程定义为“表观遗传去渠道化”,即细胞身份调控景观逐渐变浅,细胞越来越容易偏离原有身份。

文章最重要的理论之一,是强调“写入”与“维护”之间存在根本性的不对称性。发育过程中,形态发生信号、系统性信号和时间程序共同驱动染色质重塑,从头建立谱系特异性的增强子网络、Polycomb抑制区域以及三维基因组结构,因此可以形成高保真的细胞身份记忆。然而,当成熟完成以后,这套全局性的“写入程序”基本结束,成年细胞只能依靠局部的组蛋白更新、重新修饰和染色质维护来维持原有状态。这些机制并不能完全恢复最初的染色质架构,因此每一次应激、代谢波动或转录激活都可能留下微小偏差。随着时间积累,“修复误差”最终超过“维护能力”,形成持续性的表观遗传漂移。

紧接着,研究人员将这一理论与经典DNA甲基化年龄联系起来。已有跨物种分析显示,约90%的体细胞有丝分裂组织年龄相关DNA甲基化增加发生在PRC2结合的低甲基化区域(PRC2-LMRs),这并不是随机发生的DNA甲基化,而是慢速染色质层逐渐失稳的一个稳定“基因组坐标”。随着PRC2占据程度下降,原本受到保护的CpG-rich区域更容易发生从头甲基化;与此同时,Polycomb相关区域也表现出组蛋白修饰和染色质约束的逐渐丢失。因此,表观遗传时钟中的部分高预测力CpG位点,很可能实际上是在记录细胞身份慢速层的长期漂移,而不仅仅是一个单纯的年龄相关生物标志物。

研究人员特别强调了快速层与慢速层之间的相互作用。年轻细胞中,AP-1等应激转录因子的短暂激活通常能够被完整的Polycomb染色质结构限制,因此应激结束后细胞可以回到原始状态。但在衰老细胞中,PRC2功能下降使染色质边界变得松散,AP-1更容易进入原本受到抑制的区域;与此同时,反复AP-1激活又进一步破坏双价结构并降低H3K27me3,从而形成“慢速层减弱→应激因子侵入→染色质进一步开放→慢速层进一步受损”的正反馈。相关研究显示,年轻细胞中增强AP-1或者抑制EZH2可以模拟部分衰老相关染色质变化,提示应激并非单纯伴随衰老,而可能参与将短暂刺激转化为长期表观遗传记忆。

以神经元作为具体案例,研究人员进一步阐明该理论如何解释组织功能衰退。神经元在发育过程中通过EZH2/PRC2建立H3K27me3介导的谱系边界,成熟后即使细胞不再分裂,也需要持续维持这些染色质结构。随着年龄增长,EZH2/PRC2及KDM1A相关功能下降,可导致H3K27me3区域逐渐丢失,并解除对非神经元及发育相关程序的抑制。研究人员进一步提出PRC2/KDM1A–β-catenin–REST–GSK3β轴可能将慢速层的身份失稳与神经元应激、tau磷酸化、突触功能障碍及兴奋毒性联系起来。因此,在这一框架下,神经退行性疾病并不仅仅是神经元损伤,而可能也是长期维持的神经元身份约束逐渐失效的结果。

文章还提出一个非常有意思的代谢—染色质耦联机制。乙酰辅酶A是组蛋白乙酰化的重要底物,而H3K27ac与PRC2介导的H3K27me3在一定程度上形成竞争关系。例如,人和小鼠皮层祖细胞具有不同的脂肪酸氧化和acetyl-CoA水平,这会影响H3K27ac、双价结构解析以及神经元成熟速度。值得一提的是,热量限制能够降低TCA循环通量和胞质acetyl-CoA生成,从而减轻对H3K27me3区域的乙酰化压力;作者据此提出,热量限制可能部分通过降低acetyl-CoA→稳定Polycomb慢速层→减缓表观遗传漂移发挥抗衰老作用。更重要的是,这种关系可能形成双向反馈:染色质身份漂移会破坏代谢程序,而代谢紊乱又通过acetyl-CoA改变进一步促进染色质漂移。

最后,研究人员提出一个具有较强启发性的观点:能够持续进行发育性染色质重塑的生物,理论上可能具有更强的抗衰老能力。哺乳动物在成熟后主要依赖维护已有染色质架构,因此随着时间发生不可逆或低可逆性的漂移;而植物分生组织、部分持续生长的鱼类和爬行动物,以及具有强再生能力的涡虫和水螅,可以在成年阶段持续激活部分发育程序,从而可能不断重新建立组织架构。作者强调,这一观点目前仍属于可检验的理论假说,跨物种直接测量PRC2稳定性、染色质漂移和DNA甲基化轨迹的数据仍然有限,因此不能将持续生长或再生能力直接等同于延缓衰老。



总的来说,该综述提出了一个不同于传统“损伤不断积累”模型的衰老解释:衰老不仅是损伤积累,更可能是细胞在发育阶段建立的身份调控架构,在成年后无法被完全重新书写,只能通过低保真的局部维护,因此随着时间逐渐发生表观偏移,最终导致细胞身份丧失。

参考文献:

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10955-0

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