两点一线探寻细胞生命的“年轻因子”

在对生命起源的幻想中，人们总是去隐蔽的地方寻找“青春之泉”，但事实上，生命不朽的秘密可能就在它的最小单位里——

3月26日，中国科学家首次发现了使衰老的间充质干细胞重获活力的“年轻因子”——卡登蛋白4(CBX4)，并验证了其功能。相关的研究结果发表在细胞报告中。

几天后，4月1日，科学生物学公共图书馆公布了由同一组科学家的另一个全新发现，首次在人类间充质干细胞中建立了一个“年轻的途径”——YAP-Foxd 1，并证明了激活这一途径可以减少细胞衰老和骨关节炎。

如果前者是科学家团队在干细胞中发现了“青春之泉”，那么后者的研究是“两点一线”来确定细胞生命的“青春之河”。

"本研究揭示了YAP-FOXD1通路在人类干细胞衰老和骨关节炎基因治疗中的作用和分子机制."本文作者之一、中国科学院生物物理研究所研究员刘光辉说，这项研究是由中国科学院生物物理研究所研究小组与北京大学唐研究小组和中国科学院动物研究所曲靖研究小组合作完成的。经过五年的努力，研究小组已经从纵横交错的细胞基因调控网络中证明了YAP-FOXD1通路的存在，并通过细胞和动物水平的实验证明了其功能。

作为癌基因“名义”YAP蛋白的“年轻因子”

YAP蛋白是第一个通过YAP-FOXD1途径进入科学家视野的蛋白。在互联网上搜索YAP蛋白的“简历”，我们可以发现与YAP蛋白最密切相关的是一条在业界被称为“河马通路”的河马信号通路。

一旦“河马途径”的上游接收到抑制生长的信号，经过一系列激酶磷酸化反应，最终以磷酸化的形式作用于下游效应器YAP蛋白，以确定YAP蛋白是否被磷酸化。

如果没有磷酸化和磷酸化基团“尾巴”的牵引，YAP很容易进入细胞核，进入基因调控的大本营。雅普此时扮演着“先驱报”的角色。它在大本营的存在导致了基因活动。它会选择与它的目标基因结合，并“向下传令”，促使目标基因表达相应的核糖核酸和蛋白质，从而影响细胞的生命活动。

"我们首先发现了YAP，它是一种具有明确功能的转录辅因子."刘光辉说，YAP可以与它在细胞核中的转录因子“伴侣”TEAD结合，共同激活下游靶基因的转录。

如果YAP携带磷酸化基团的“尾巴”，它将在细胞质中被阻断，YAP将不能在细胞核中“宣布”，下游基因的转录和表达将被抑制，细胞增殖也将被抑制。

一些报告指出，如果YAP执行频繁的“命令”，并且不受控制，它将允许细胞无限增殖，这可能导致肿瘤。因此，YAP被认为是一种“致癌基因”。

YAP的特性赋予研究小组两项任务:第一，从功能上证明它的存在是否与细胞的“年轻状态”有关；第二，它如何传递“命令”，然后调节功能基因的功能？谁是它的“接收者”，它以前被其他科学家发现过吗？

为了回答第一个问题，团队从正面和负面两个角度进行了验证。“我们通过CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术发现了一系列能够延缓人类间充质干细胞衰老的蛋白质。在这些蛋白质被剔除后，细胞将会有一个加速老化的表型。”该论文的主要作者、中国科学院生物物理研究所博士生傅丽娜表示，基因敲除工作始于人类胚胎干细胞。通过引入三种不同的质粒，研究小组删除了人类干细胞基因组中负责编码YAP蛋白的基因。

“被敲除的基因组DNA大约有几千个碱基。尽管敲除几个碱基也可能导致YAP因子丧失其功能，但它可能导致新的异常蛋白质的产生，从而引入不可排除的因子。”芙莉娜说道。团队必须确保YAP基因完全沉默。为此，他们改进了CRISPR/Cas9基因编辑技术，使其能够删除大型YAP基因位点的大片段。

利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，该团队获得了YAP特异性敲除的人胚胎干细胞，通过定向分化技术定向诱导其分化为间充质干细胞。" YAP缺陷的人骨髓间充质干细胞显示出严重的加速老化表型."刘光辉说，YAP在维持人类成体干细胞的年轻状态中起着关键作用。虽然YAP在某些肿瘤细胞中被证明具有“致癌基因”的功能，但它在人骨髓间充质细胞中起着“年轻因子”的作用。

新“两点一线”寻找YAP蛋白“硬核伙伴”和“订购代理”

YAP通过与转录因子TEAD的相互作用启动下游基因的转录，这意味着TEAD和YAP是“核心伙伴”。以前的研究发现，YAP和TEAD通过YAP的N-末端和TEAD的C-末端之间的相互作用形成蛋白质复合物，这在YAP介导的细胞增殖中起关键作用。

团队的第二个任务是找到YAP的“信使”。“我们假设YAP的一个或一些靶基因介导人骨髓间充质干细胞年轻状态的调节。”刘光辉说，“通过一系列实验，我们发现YAP可以激活FOXD1，一种新的YAP靶基因，这在以前从未被报道过。”

叉盒(FOX)蛋白家族包含50多种转录因子，在胚胎发育、细胞周期调节、糖和脂代谢、衰老调节等多种生物学过程中发挥作用。FOXD1是转录因子之一。傅丽娜解释说，之前的报道指出，FOXD1可以调节器官发育，并具有促进细胞增殖和细胞重编程的活性。

“我们首先对被YAP敲除的人骨髓间充质干细胞的核糖核酸进行了测序，并进一步结合转录因子结合元件的预测，我们认为FOXD1可能是YAP的一个新的靶基因。”傅丽娜后来说，为了验证这一推断，该团队使用染色质免疫沉淀(ChIP)方法来“捕捉”能够特异性结合FOXD1启动子DNA的蛋白质(YAP)。最终证明FOXD1接受了YAP的“命令”并启动了调节细胞“再生”的分子程序。

“YAP在上游，FOXD1在下游。他们是命运的共同体。”刘光辉解释说，随着细胞的老化，YAP和FOXD1的表达一直在下降。

或者辅助基因治疗可以在将来有效地干预衰老相关疾病

从干细胞开始，发现机制，回到细胞和生物体的验证，发现“青春之河”必须证明它在生物体中的“魔力”。

“我们已经在三种细胞衰老模型中证明了YAP-FOXD1途径的抗衰老作用。YAP或FOXD1的过表达可使衰老的人骨髓间充质干细胞恢复其增殖能力。芙莉娜说道。另一方面，细胞实验的结果表明，YAP或FOXD1的过表达可能使衰老的动物间充质组织(如关节)变得更年轻。

该小组随后对动物进行了基因治疗。“我们已经证明过表达YAP或FOXD1蛋白作为小鼠骨关节炎基因治疗的可行性和有效性。”刘光辉说，该小组用慢病毒载体作为基因导入介质，将编码YAP或FOXD1蛋白的慢病毒注入患骨关节炎小鼠的关节腔。几周的YAP或FOXD1基因治疗可显著降低关节软骨中衰老细胞的比例，有效抑制关节软骨退变和关节腔炎症，从多方面改善骨关节炎的病理表型。

骨关节炎是一种典型的与细胞衰老密切相关的人类疾病。这些研究结果都证明，通过基因引入干细胞“年轻因子”有望在未来治疗以骨关节炎为代表的衰老相关疾病。寻找“青春之泉”或“青春之河”将为基因治疗提供明确的靶点，最终为衰老相关疾病的干预提供有效的解决方案并开展临床应用。