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衰老，是一個(gè)復(fù)雜、多階段、漸進(jìn)的過(guò)程，發(fā)生在生命的整個(gè)過(guò)程。隨著時(shí)間的流逝，人體的器官、肌肉會(huì)逐漸衰老，一些疾病也伴隨著年齡的增長(zhǎng)而發(fā)生，包括癌癥、糖尿病、心血管疾病等。

 

人的壽命與構(gòu)成我們的單個(gè)細(xì)胞的衰老有關(guān)，早在2020年7月，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員在" Science "期刊上發(fā)表了一篇題為" A programmable fate decision landscape underlies single-cell aging in yeast "的研究論文，研究人員解開(kāi)了衰老的關(guān)鍵機(jī)制，一些細(xì)胞隨著DNA穩(wěn)定性的逐漸下降而衰老，另一些細(xì)胞的衰老是由于線(xiàn)粒體功能障礙所致。

 

在確定細(xì)胞在衰老過(guò)程中遵循的兩個(gè)不同路徑后，研究人員通過(guò)基因編程這些過(guò)程來(lái)延長(zhǎng)細(xì)胞的壽命。

 

加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員在" Science "期刊上發(fā)表了一篇題為" Engineering longevity-design of a synthetic gene oscillator to slow cellular aging "的研究論文。

 

該研究顯示，通過(guò)合成生物學(xué)重新編程細(xì)胞衰老的過(guò)程，在酵母細(xì)胞內(nèi)設(shè)計(jì)了一個(gè)合成基因振蕩器，與正常衰老的酵母細(xì)胞相比，壽命延長(zhǎng)了82%，這一發(fā)現(xiàn)有朝一日可能會(huì)促成合成基因回路的設(shè)計(jì)，從而促進(jìn)更復(fù)雜的生物體長(zhǎng)壽。

 

在該研究中，研究人員對(duì)控制細(xì)胞衰老的電路進(jìn)行了基因重組，從它像撥動(dòng)開(kāi)關(guān)一樣的正常作用來(lái)看，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)負(fù)反饋回路來(lái)阻止老化過(guò)程。重新布線(xiàn)的電路作為一種被稱(chēng)為基因振蕩器的類(lèi)似時(shí)鐘的設(shè)備運(yùn)行，它驅(qū)動(dòng)細(xì)胞在兩種有害的“衰老”狀態(tài)之間周期性切換，避免長(zhǎng)期處于其中一種狀態(tài)，從而減緩細(xì)胞的退化。

 

構(gòu)建合成基因振蕩器以重新編程衰老

研究人員首先使用計(jì)算機(jī)模擬DNA老化電路的工作方式，與更傳統(tǒng)的遺傳策略相比，這種方法在節(jié)省時(shí)間和資源以確定有效的長(zhǎng)壽策略方面具有優(yōu)勢(shì)。

 

研究人員表示，這是第一次利用計(jì)算引導(dǎo)的合成生物學(xué)和工程原理來(lái)合理地重新設(shè)計(jì)基因回路和重新編程衰老過(guò)程，從而有效地延長(zhǎng)壽命。

 

三年前，研究人員發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞在其整個(gè)生命周期中都遵循一系列分子變化，直到它們最終退化和死亡。然而，他們注意到，具有相同遺傳物質(zhì)和相同環(huán)境的細(xì)胞可以沿著不同的衰老路徑行進(jìn)，一些細(xì)胞通過(guò)DNA的穩(wěn)定性逐漸下降而衰老，另一些細(xì)胞的衰老是由于線(xiàn)粒體功能障礙所致。

 

相同環(huán)境下，細(xì)胞的2種衰老途徑，線(xiàn)粒體（綠色）和DNA（紅色）

這項(xiàng)新研究顯示，與其他強(qiáng)制使細(xì)胞逆轉(zhuǎn)衰老的方式不同，通過(guò)阻止細(xì)胞進(jìn)入預(yù)定的衰退和死亡路徑，可以減緩衰老時(shí)鐘，而類(lèi)似時(shí)鐘的基因振蕩器可能是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的通用系統(tǒng)。

 

在研究中，研究人員利用酵母細(xì)胞作為人體細(xì)胞衰老的模型，開(kāi)發(fā)并使用了微流體和延時(shí)顯微鏡來(lái)追蹤細(xì)胞生命周期中的衰老過(guò)程，與正常衰老的酵母細(xì)胞相比，在合成振蕩器裝置的指導(dǎo)下經(jīng)過(guò)合成重新布線(xiàn)和老化的酵母細(xì)胞的壽命延長(zhǎng)了82%。

 

通過(guò)合成振蕩器延長(zhǎng)82%壽命

研究人員指出，這一結(jié)果展示了合成生物學(xué)在重新編程細(xì)胞衰老過(guò)程中的成功應(yīng)用，并可能為設(shè)計(jì)合成基因回路奠定基礎(chǔ)，以有效延長(zhǎng)更復(fù)雜生物體的壽命。

 

目前，研究人員正在將這一結(jié)果擴(kuò)展到包括干細(xì)胞和神經(jīng)元在內(nèi)的多種人類(lèi)細(xì)胞類(lèi)型的衰老。

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