“隐性转录”:衰老细胞表达的基因片段

基因调控减弱的衰老细胞会虚假地转录RNA，但它们对健康和寿命的影响仍需要研究。

　　

衰老细胞，即那些在细胞分裂停止后仍然存在于体内的细胞，经历了一个称为隐转录的过程，在这个过程中，它们从嵌套在单个基因中的短序列中产生RNA转录本。目前尚不清楚这些转录本有什么功能(如果有的话)，而它们表达背后的机制长期以来一直困扰着科学家们。现在，美国国立卫生研究院(NIH)下属国家衰老研究所的分子生物学家Payel Sen和她的同事们已经开始揭示表观遗传变化是如何调节隐性转录的，尽管问题仍然存在。在3月30日发表的《Nature Aging》杂志上，该研究小组揭示，修饰过的组蛋白(DNA在染色体中紧紧缠绕的蛋白质)松开了对DNA的控制，可能会让基因内所谓的神秘位点被虚假转录。

衰老细胞的隐性转录首先在酵母和线虫中观察到，后来在哺乳动物细胞中得到证实。虽然它的功能，尤其是在哺乳动物细胞中，还没有完全被揭开面纱，但隐性转录可能会产生有害的后果:当隐性转录被抑制时，酵母细胞的寿命更长。Sen推测，这些转录本可能被翻译成小蛋白质，因为它们含有一个允许蛋白质合成的5 '帽。或者，她认为这些转录本可能代表了“转录噪声”，只是“耗尽了细胞中必要的资源”，降低了衰老细胞的效率。

意大利都灵大学的分子生物学家Francesco Neri没有参与这项工作，他推测这些转录本可能是“有害的RNA和/或截断的蛋白质，可能会干扰细胞过程”。

研究这些虚假转录本是如何以及为什么在衰老细胞中产生的，以及它们对细胞本身的影响，可能对衰老和长寿研究具有重要意义——确定这些衰老细胞是否生长效率较低或产生有害的小蛋白质，最终可能会导致延长青春的新方法。关于哺乳动物中神秘RNA的许多悬而未决的问题，Sen和她的同事开始解码驱动它们合成的表观遗传修饰。

研究人员一直在努力解开是什么原因导致了人类细胞的隐式转录，因为隐式转录本很难用传统的RNA测序方法检测和区分其他RNA转录本。研究小组采用了一种被称为PRO-cap的精确核运行测序技术，通过对RNA中相应的前几个碱基进行测序，他们可以确定DNA中转录的起始位点。使用这种技术，生物素标记的核苷酸被添加到生长中的RNA链上，突然终止转录。这些生物素标签作为标记，将新形成的RNA与不能用于确定转录起始位点的旧的、修剪过的转录本区分开来。

研究人员在实验室中使用相同的人类肺细胞系，通过将衰老队列比年轻队列多培养50轮，生成了年轻和衰老队列的细胞。利用PRO-cap，研究小组发现，在年轻细胞和衰老细胞中，隐式转录物的产生水平相似，这表明隐式转录在细胞的整个生命周期中都存在。尽管如此，研究人员还是发现了许多衰老细胞特有的隐藏位点，这些位点可能具有与年龄相关的功能。Neri说，人们很容易认为隐性转录是“衰老的标志”。

通过仔细检查衰老细胞中含有隐位点的基因，研究小组发现这些基因比人类平均基因更长，这主要是因为它们含有更长的内含子。这种增加的长度可能意味着RNA聚合酶和DNA链之间的接触延长，增加了虚假转录的机会。

这些研究是使用在实验室培养的细胞进行的，但研究小组需要确认隐转录也发生在动物身上。研究小组对取自小鼠的肝细胞进行了重复研究，发现来自老年小鼠(22-24个月)的细胞比年轻小鼠(2-4个月)的细胞具有更高的隐转录水平。与人类肺细胞相似的是，含有这些隐藏位点的小鼠基因比平均水平要长。有趣的是，隐藏位点几乎只在雌性小鼠的细胞中发现。然而，在这项研究中，雌性小鼠比雄性小鼠大3个月，这使得解释复杂化。森认为，这并不是一个巨大的年龄差异，并指出，之前的一项研究也发现了小鼠干细胞中隐性转录的性别差异。

这些长基因中的许多编码在细胞表面发现的蛋白质，包括参与细胞间粘附、通信和信号传递的蛋白质，但研究小组仍然需要确定这是否是一种有意义的相关性，以及隐转录是否以某种方式干扰膜蛋白。为了做到这一点，Sen的目标是破译隐转录是在特定基因中以一种受调控的方式发生，还是主要在长基因中作为调节失调的副作用发生。她指出，下一步将是评估不同组的隐性位点是否在不同的细胞类型中转录，因为这将支持隐性位点受到调控的假设。事实上，Neri提到，在不同的研究中已经观察到其他类型的神秘地点。

在人类衰老细胞中鉴定出超过350个隐藏位点后，研究人员随后探索了他们培养的人类肺细胞中驱动这一过程的机制。特别是，他们试图确定对组蛋白进行化学修饰，使其对DNA的控制松动，是否为这些位点的转录做好了准备。研究小组进行了染色质免疫沉淀，这是一种从细胞中分离DNA并剪切它的技术，产生的片段仍然与组蛋白结合。然后可以将这些片段分离出来，用组蛋白特异性抗体进行分析。Sen和她的同事们研究了含有隐藏位点的片段，并比较了组蛋白甲基化水平和组蛋白乙酰化水平，组蛋白甲基化水平使DNA缠绕并通过使其无法转录来“关闭”DNA，组蛋白乙酰化水平使DNA解开并允许转录发生。

当研究人员探索人类神秘位点组蛋白甲基化的特定模式时，他们发现它与早期在酵母和蠕虫中发现的模式相匹配。衰老细胞有更多乙酰化的“组蛋白”和更少的甲基化的“组蛋白”，这表明组蛋白修饰似乎与细胞年龄相关，暴露了通常隐藏在年轻细胞中的隐藏位点。Sen认为，在衰老细胞中与衰老相关的隐藏位点上，“表观基因组的侵蚀”可能会促进虚假转录。尽管在衰老细胞中组蛋白甲基化整体下降，但研究小组观察到组蛋白3甲基化增加的特定模式。这种模式通常出现在转录起始位点的启动子序列上，为表观遗传变化驱动隐性转录提供了进一步的支持。