讓你返老還童的山中因子

一直以來，老化都被認為是因為基因改變造成的，而這改變主要是基因突變，基因因爲突變而無法表現，進而造成細胞組織和器官的衰竭。不過，近幾年開始，有越來越多研究顯示，事情牟那泥甘單。有學者發現，有些突變率很高的人類和老鼠變並沒有很早就出現老化的現象，而很多老化的細胞又幾乎沒有突變，表示突變並不是造成老化的原因，於是有些人就開始懷疑起其他的原因。在一堆可能的原因中，有一個便是表觀遺傳變化(epigenetic changes)，也就是之前很受著注目的表觀遺傳學(epigenetics)。當 DNA 或是組蛋白(histones)被標記，例如 methylation 或 acetylation，就會影響基因的表現。在 1990s 年代末至 2000s 年代初，哈佛大學的 David Sinclair 實驗室發現在酵母菌或人類身上，老化都會伴隨著表觀遺傳變化，但都無法確認兩者之間的關係，直到今年這篇研究。

Sinclair 和他的研究團隊們認為生物會老化是因為不停地喪失表觀遺傳標記(epigenetic marks)，在細胞不停地修復 DNA 的過程中，這些標記被降解了。為了測試這個理論是不是對的，他們基因改造了老鼠，使切割 DNA 的 I-PpoI (endonuclease) 表現可以被泰莫西芬(tamoxifen, TAM)控制，他們稱這株老鼠為 ICE (inducible changes to the epigenome)。當 ICE 老鼠被給予泰莫西芬的時候，就會啟動 I-PpoI，使它切割染色體，造成大量的斷口(DSB, doouble strand break)，模擬細胞每天可能會遭遇的事，例如被陽光照射或是化學物質對 DNA 造成的損害，然後這些斷口又被細胞內的 Sirtuins 機制修復，在不斷的切割修復後，隨之而來的就是 DNA methylation 被改變了，他們認爲這就是是造成老化的主因。

Sirtuins 屬於第三類 HDAC (histone deacetylases)，廣泛存在於生物中，從細菌到人類，在細胞代謝、DNA 修復與延緩老化中扮演著重要的角色。Sirtuins 在細胞內主要負責修復 DNA 損傷，以及將 DNA 緊密捆綁起來，確保該關閉的基因保持靜默、該開啟的基因正常運作，即維持表觀遺傳的穩定性。

隨著我們年齡增長，生活中的各種壓力會讓細胞累積越來越多的 DNA 損傷，這迫使 Sirtuins 必須不斷離開原本負責監控基因靜默的崗位，趕去修補這些 DNA 裂痕。修復完成後，部分因子未能精確回到原位，導致表觀遺傳景觀隨時間平滑化或侵蝕。除此之外，隨著老化，Sirtuins 運作所需的 NAD+ 濃度會大幅下降，降幅最高可達 50%。因為 NAD+ 的減少，加上 Sirtuins 在修復 DNA 與維持基因靜默這兩個任務之間疲於奔命，最終導致表觀遺傳系統失去控制。原本應該被緊緊封閉的基因鬆開並被錯誤地開啟，這引發了身體各方面機能衰退的骨牌效應。

在不影響 NAD+ 的情況下，只要使 DNA 被切割，在年輕老鼠體內製造 DSB 來轉移 Sirtuins 的注意力，使它們停下調節基因表現得的工作去幫助修復，結束後然後再回到原來的工作位置。但時間久了以後，Sirtuins 被這些大量的切割分心了，它們修復了 DNA 後並沒有回去，於是這些用來調節表現的標記就漸漸消失了，例如很多原本標記 DNA 的 methyl group 不見了，這樣下來，短短三週的干擾就足以讓小鼠的衰老速度加快 50%。平常老鼠的壽命大概兩年半，相較於要兩年左右才老化的老鼠，ICE 老鼠在六個月之後就出現老化現象，包括掉毛和掉色，表示他們的理論是對，控制老化的是這些標記。

不過呢，這一切似乎是可以被恢復的。

還記得因為 iPSC 研究而獲得諾貝爾獎的日本京都大學教授山中伸彌嗎？他發現四個 transcription factors (Oct3/4, Sox2, Klf4, c-Myc) 可以把分化後的細胞重新設定(reprogram)，使它變回多能性幹細胞。這四個 TFs 又被稱為山中因子。



相關文章：山中伸彌的 iPS cells

在山中伸彌得到諾貝爾獎的十年之後，美國聖地牙哥的生技公司 Rejuvenate Bio 和 Sinclair 團隊利用山中因子讓老鼠返老還童。

之前已有研究發現，表現山中因子的基改老鼠在成年的時候有出現返老還童的現象。

Sinclair 團隊的這篇研究除了確認老化是因為表觀遺傳標記喪失而造成的之外，他們還想知道這些標記是否可以恢復，便利用 AAV 運送其中三個因子(OCT4, SOX2 和 KLF4，合稱為 OSK)送進老鼠體內，結果的確有些標記被恢復了，ICE 老鼠的器官和組織又回到年輕的狀態惹。不過，OSK 是怎麼做到的？他們目前還不清楚，可能是帶著染色體坐了時光機回去了吧！（誤）

以前曾和 Sinclair 團隊合作過的 Rejuvenate Bio 則想進一步了解是否未來可以應用在人類身上，也是利用 AAV 運送 OSK 進老年老鼠(124 週老)體內，結果這些老鼠又多活了十八個禮拜，相較之下控制組只多活了九個禮拜。雖然有些研究顯示山中因子可能會致癌，但公司表示他們未發現有什麼不良副作用。


Articles:

Science / Two research teams reverse signs of aging in mice (2023)

Harvard Medical School / Loss of Epigenetic Information Can Drive Aging, Restoration Can Reverse It


Publication:

J Yang et al, Loss of epigenetic information as a cause of mammalian aging. Cell (2023)

CC Macip et al, Gene Therapy Mediated Partial Reprogramming Extends Lifespan and Reverses Age-Related Changes in Aged Mice. bioRxiv (2023)

有記憶的先天免疫系統

先天免疫系統是可以學習、訓練的嗎？

關於新冠病毒，目前知道的就是大多數人都是無症狀或是輕症，只有少數人會進展到重症，而且大多數是老年人或慢性病患者，這是否和免疫能力有關？

人體的免疫系統有兩種，一種是 innate immune system，一種是 adaptive immune system。Innate immune defense 是先天的免疫反應，沒有針對特定外來物，通常是免疫系統和某個外來物(細菌或病毒)的第一次見面。Adaptive immune system 則是改進過後的免疫反應，是免疫系統跟外來物第一次見面後學習來的，有記憶性，會針對某個外來物。例如說大家第一次感染到新冠病毒的時候，身體對抗的免疫反應是 innate immue system，在這一戰的時候，主要打仗者是各種白血球們(e.g., monocytes, macrophages, natural killer cells)，他們在打仗的過程中得到新冠病毒的蛋白資料(抗原)，然後用這些資料產生對抗它的免疫細胞 (T cells, B cells)和抗體，進化成 adaptive immune defense，當再次感染的時候，adaptive immune system 就可以立刻叫喚出針對新冠病毒的免疫細胞和抗體，快速消滅病毒。（有興趣的可以看工作細胞第三集）



Innate immunity 和 adaptive immunity 的差別主要在前者沒有記憶性，後者則是依靠前者的經驗學習記憶後得來的 immunity，不過近期有研究認為，innate immunity 也是可以被訓練成有記憶性的，也就是 trained immunity，而這靠的是改變基因表現，也就是 epigenetic reprogramming。Trained immunity 和原本的 adaptive immunity 不同點在於 [3]：

1. 參與 trained immunity 的免疫細胞有 monocytes, macrophages, natural killer cells (NK cells) 等等，adaptive immunity 則是 T cells 和 B cells。

2. adaptive immunity 是有目標性的，靠的是基因重組(gene rearrangement)後產生的、針對不同抗原的抗體，trained immunity 改變的不是基因本身，而是基因的表現(epigenetic)。有意思的是之前有研究顯示 NK cells 和 CD8+ T cells (CTLs) 有相似的基因表現機制，可能是讓 NK cells 有記憶性的的原因 [4]。

3. trained immunity 改變免疫細胞功能是短期的，只有幾個月，adaptive immunity 的改變則是長期的，可達幾年。


Figure / Schematic representation of the concept of "training immunity" (Kar & Joosten, Nature Immunology 2020)

這一篇文章要說的便是 innate immunity 是否可以被訓練，進而展現 adaptive immunity 的部分功能 [5]，也就是說在初次感染時，白血球等等習得了要產生哪些蛋白對抗，當後來再次感染的時候，不需要受到相同的病菌感染，innate immunity 的免疫細胞就會立刻產生某些 cytokines 去對抗，就是所謂的 trained immunity。之前有研究顯示卡介苗(bacillus Calmette-Guérin; BCG vaccine)可以產生 trained immunity，卡介苗是去掉毒性的活細菌疫苗，雖然針對的是造成肺結核(tuberculosis)的細菌(Mycobacterium bovis)，但是它引起的 trained immunity 有降低其他病菌感染的效用，例如流感和皰疹病毒，稱為 off-target effects 或是 non-specific effects (NSEs)。另外，健康人施打卡介苗會增加 pro-inflammatory cytokines，得到呼吸道感染的機率比沒打過卡介苗的低了 73%。

之前有研究觀察到有施打卡介苗的國家，新冠病毒確診病例和重症率比較低 [1]，可能是因為它產生的 trained immunity 的效用，對抗病菌的免疫力增強了，因而降低了新冠病毒的感染率。不過，雖然在台灣施打卡介苗是 mandatory，但是在北美並不是，根據加拿大 Health Canada 網站的資訊 [2]，卡介苗的效用不高，而且會干擾診斷，有施打過卡介苗的在肺結核的皮膚測試(TST; tuberculin skin testing)會顯示為陽性，需要病人告知是否施打過卡介苗，不然不知道陽性反應是因為卡介苗還是因為真的感染，所以並不鼓勵施打卡介苗。

"Clinical trials have demonstrated conflicting results regarding BCG vaccine's efficacy. Meta-analytic reviews have estimated the vaccine efficacy in preventing any TB disease at approximately 51%. The protective effect of BCG vaccine against disseminated TB in the newborn is estimated to be 78%.

The duration of BCG vaccine protection is not well-established. Although generally thought to have declining protection over time, one follow up study demonstrated a protective effect for as long as 60 years. BCG vaccine will not prevent the development of active TB in individuals who are already infected with M. tuberculosis. TB disease should be considered as a possible diagnosis in any vaccinee who presents with a suggestive history, or signs or symptoms of TB, regardless of immunization history."

回到卡介苗是否真的的降低新冠病毒感染或重症，因為都還只是觀察到的相關性，所以需要臨床上的確認，目前有幾個國家開始臨床試驗，預計要到今年十月才知道結果。除了卡介苗外，麻疹疫苗也被認為可以產生 trained immunity。



References:

1. JSatoNotes / If I were North American/West European/Australian, I would take BCG vaccination now against the novel coronavirus pandemic

2. Gov of Canada / Bacille Calmette-Guérin (BCG) vaccine: Canadian Immunization Guide

3. MG Netea et al, Trained immunity: A program of innate immune memory in health and disease. Science (2016)

4. UK Kar & L Joosten, Training the trainable cells of the immune system and beyond. Nature Immunology (2020)

5. M Netea et al, Trained Immunity: a Tool for Reducing Susceptibility to and the Severity of SARS-CoV-2 Infection. Cell (2020)

阿茲海默症和 epigenetics

目前知道造成阿茲海默症的可能基因有 APP (Amyloid precursor protein), PS-1 (Presenilin-1), PS-2 和 APOE4，APP 被 γ-secretase 剪後會變成 β-amyloid (Aβ)，而 PS1 或 PS2 則是 γ-secretase 的其中一個 subunit，這幾個基因的突變會造成 Aβ 在腦部堆積。除了這些已知的基因突變造成的病症，有的基因是在沒有突變的情形下，它的表現因為一些(外在)因素改變了，例如 methylation (甲基化)，這類相關研究也就是近幾年常聽到的 epigenetics (表觀遺傳學)。

這篇研究用 EWAS (epigenome-wide association studies) 比較了健康者和 AD 患者的的檢體資料，發現了有個基因的 promoter 在 AD 患者中是處於 hypermethylation 的狀態，也就是他的表現是被抑制住的，這個基因是 N-fatty-acyl-amino acid synthase/hydrolase PM20D1 (aka Peptidase M20 Domain Containing 1)。在細胞實驗中，當細胞受到 ROS (reactive oxygen species) 或是 Aβ 破壞後，PM20D1 的表現量顯著增加。另外，PM20D1 的表現量在 AD (已出現症狀)基轉老鼠大腦額葉皮質(frontal cortex)裡的也比在 AD 症狀出現前或是比同年齡控制組的老鼠來得高。

另外，當他們增加細胞裡 PM20D1 的的表現量時，ROS 引起的細胞死亡減少了，而在 AD 基轉老鼠的海馬迴培養細胞裡，靠病毒轉進而大量表現的 PM20D1 則減少了細胞裡的 Aβ 堆積。在老鼠實驗中，他們用病毒轉進 PM20D1 到 AD 基轉老鼠的海馬迴裡使其大量表現，發現三個月後老鼠腦部的 Aβ 變少了，並且牠們認知也改善了。相反的，當他們用 ASO (antisense oligonucleotides) 使老鼠腦中的 PM20D1 表現量降低時，牠們的 Aβ 的量則增加，認知功能下降。

大概是因為 PM20D1 的表現量在阿茲海默症裡不是受突變的影響，而是在 epigenetics 上的，所以作者們認為可以靠飲食改變 PM20D1 的表現而減少得到阿茲海默症的機率，只是吃什麼可以增加 PM20D1 的表現還未可知。XD



Articles:

NNR / Brain Food: Changing our diet could prevent Alzheimer's


Papers:

JV Sanchez-Mut et al, PM20D1 is a quantitative trait locus associated with Alzheimer’s disease. Nature Medicine (2018)