在遙遠的東非,生活着一種奇特的動物。它們常年生活在地洞中,幾乎沒有視力,而且其貌不揚,兩顆大齙牙異常顯眼,皮膚總是皺巴巴的,幾乎不長毛髮,一副老態龍鐘的模樣。然而,就是這種看似「小老頭」、長相醜陋的動物,卻似乎具有無窮的能量——它們的壽命極長,遠遠超過了同類的其他動物,而且似乎很難從它們身上看到衰老的跡象。這也讓它們成為了研究衰老的「香餑餑」,那麼它們真的不會老嗎?
這種神奇的動物叫做裸鼴鼠(Heterocephalus glaber),是一種齧齒目哺乳動物。裸鼴鼠的體型大小和它們的「表親」小鼠相當,體重只有幾十克。平均而言,在陸生哺乳動物中,體型越大的物種壽命也越長。在齧齒動物中,像裸鼴鼠這般迷你的物種往往只能活幾年,相比之下,裸鼴鼠可謂是超級壽星:它的壽命是許多相似大小的其他物種的5倍,是小鼠的9倍,在圈養條件下活到20多歲也完全不稀奇。即便是在野外,也有科學家曾記錄到活了17年的裸鼴鼠。
除了極長的壽命之外,裸鼴鼠還有一個特性讓科學家百思不得其解:在一生中的大部分時候,它們身上似乎都不會出現衰老的跡象。在一生中,我們每個人都在見證着歲月在自己和周圍其他人身上留下的痕跡,尤其是在青春期過後,隨着年齡增長,我們的皮膚會慢慢失去光澤和彈性,體力和精力會下降,脂肪逐漸堆積,腿腳慢慢變得不靈便,全身各個器官和組織的機能也會漸漸衰退、出現「故障」。
但是在裸鼴鼠身上,這種逐漸發生的衰老過程似乎難覓其蹤。裸鼴鼠在6個月左右就能達到性成熟,但研究發現,從2歲到24歲,裸鼴鼠的身體成分幾乎不會變化,而且各種生理、形態特徵和生化指標的變化也微乎其微。時光流逝,它們的代謝和生育力依然旺盛,骨骼依然緻密,血管依然富有彈性,血糖代謝依然正常。而且,裸鼴鼠很少患上伴隨衰老而來的疾病,包括人類的兩大殺手——癌症和心血管疾病。
或許是歸功於這種幾乎不會衰老的能力,死神的鐮刀收割的速度,在裸鼴鼠身上也「放慢」了。根據Gompertz-Makeham定律揭示的死亡規律,在幾乎所有的哺乳動物中,隨着年齡增長,死亡風險都會呈指數上升。而裸鼴鼠再次成為了例外。不論雌雄、是否參與繁殖,裸鼴鼠的死亡風險都不隨着年齡增長而變化。
那麼,裸鼴鼠真的不會老嗎?
超級壽星也會老
我們會用「年齡」來描述人、其他生物甚至是物體有多「老」。這裡的「年齡」往往是日曆年齡,顧名思義,就是根據年月計算出來的年齡。但在人為制定的曆法之外,生物體內還有着自己的一套「計時系統」,能反映內在的「年齡」,而這種內在的年齡和外部的時間也是相關的。
這套體內的「時鐘」便是表觀遺傳時鐘(epigenetic clock),其「計時」的依據是DNA上發生的一種化學變化——甲基化(methylation),即構成DNA的鹼基被甲基修飾。這種變化不直接改變DNA序列,但是與基因表達、染色體活性、轉座子活性的調控相關,並且和衰老、癌症發生等過程相關。基因組上不同位置的甲基化分布形成了獨特的模式。隨着年齡增長,有些區域的甲基化水平會升高,有些則會降低。通過分析這些甲基化的模式,科學家就可以在內在的DNA甲基化和外在的日曆年齡之間建立聯繫,用於反映生物內在的「衰老」情況。
2013年,美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的人類遺傳學家史蒂夫·霍瓦斯(Steve Horvath)首次使用人體的多種組織,構建了一套表觀遺傳時鐘。最近,霍瓦斯又「瞄準」了裸鼴鼠。在《自然·衰老》(Nature Aging)上的一項新研究中,他用表觀遺傳時鐘回答了科學家長久以來好奇的問題:裸鼴鼠也會「悄悄」地變老。
霍瓦斯和同事收集了來自0~26歲裸鼴鼠的近400個樣品。這些樣品來自11種組織,包括脂肪、血液、小腦、大腦皮層和心臟等。利用這些樣品,他們對裸鼴鼠基因組上近28 000處CpG位點進行了甲基化分析。CpG指的是DNA序列中,胞嘧啶(C)通過磷酸二酯鍵(p)與鳥嘌呤(G)相連的二核苷酸單元,其中胞嘧啶可以發生甲基化。
他們發現,從表觀遺傳的層面上看,裸鼴鼠的所有組織都呈現了衰老的跡象,這一點和其他哺乳動物相似。根據CpG位點的甲基化水平,他們還構建了不同組織的表觀遺傳時鐘。其中,根據血液、腎臟、肝臟和皮膚組織,以及所有組織數據混合得到的「泛組織」(pan-tissue)的數據構建的表觀遺傳時鐘非常精準。在這些組織中,和日曆年齡相比,根據甲基化水平推算出的年齡可能偏大也可能偏小,但具有非常強的相關性,也就是說實際上更「老」的組織,推算出來的「內在」年齡也更大。雖然從表面看上裸鼴鼠似乎永遠不老,但時光老人同樣會悄悄在它們的基因組裡留下「烙印」。
「女王」更年輕?
作為一種真社群性(eusocial)動物,裸鼴鼠的集落(colony)具有清晰的社會結構。一群裸鼴鼠里會有一個負責生育的雌性個體,也就是這個集落的「女王」(queen)。「女王」只會和1~3隻特定的雄鼠交配,而剩下的個體都不參與繁殖,而是作為「工鼠」,負責覓食、挖洞、警戒、看護幼崽等各種事務。
在新研究中,霍瓦斯和同事發現,除了地位崇高之外,在表觀遺傳的水平上,裸鼴鼠的「女王」還會比不參與繁殖的個體衰老得更慢,尤其是在日曆年齡比較大的那些個體中,這種差距更明顯。而且,在那些甲基化水平差異比較大的位點附近,有不少基因都與影響神經系統或腦部的轉錄因子有關。由於不同的個體基因序列是高度相似的,這項發現暗示了表觀遺傳上的差異,有可能是「女王」之所以為王的原因。
揭開衰老謎團
裸鼴鼠的表觀遺傳時鐘讓人們認識到,再神奇的生物,也終究難逃自然的法則。不過,它們究竟是通過怎樣特殊的方式來讓自己體內的「衰老」不外現、保持青春時的生理機能的,還需要科學家更深入地探究。
當然,許多生物學研究最終還是希望造福人類自己。由於裸鼴鼠的特性,已經有科學家把它們視作研究衰老、長壽及抑制疾病的模式生物,並且發現了一些可能讓它們具備這種「超能力」的原因,例如它們的細胞內含有大量可以抑制腫瘤發生的p53蛋白,體內有助於抗氧化的轉錄因子NRF2的活性也比一般哺乳動物更強。
在裸鼴鼠的表觀遺傳研究中,霍瓦斯和同事還發現「雙物種」時鐘也非常精準——即便把裸鼴鼠和人組織的甲基化數據全都「混成一份」,構建一個表觀遺傳時鐘,再用來預測裸鼴鼠的表觀遺傳年齡,結果也和它們的日曆年齡具有很強的相關性。這說明,在人和裸鼴鼠衰老過程中,組織細胞內一部分CpG位點發生了相似的甲基化,這進一步支持了至少在不同的哺乳動物中,可能都存在類似的表觀遺傳衰老的機制。所以,表觀遺傳時鐘不僅有望直接應用到衰老研究中,還可以很容易地把在裸鼴鼠中獲得的發現遷移到人類中。
原本不起眼的裸鼴鼠,已經給人們帶來了許多意外。而在科學家的努力下,這種「非主流」的動物也許還能幫助我們揭開更多關於衰老的謎團。不過在此之前,我們可以先給這種動物界的「壽星」祝壽:在加利福尼亞州的實驗室里,一隻1982年出生的裸鼴鼠已經和研究它的科學家相伴了30多年,如今即將迎來自己的40歲生日——沒有人知道,它的「油箱」里還有多少油。
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