细胞衰老的DNA甲基化印记：衰老清除疗法无法逆转的表观遗传时钟之谜

《Aging Cell》：DNA Methylation Signatures of Cellular Senescence Are Not Reversed by Senolytic Treatment

本综述的核心思想是，尽管细胞衰老是衰老相关疾病的重要驱动因素，但通过DNA甲基化（DNAm）建立的表观遗传时钟，即使专门针对与衰老、死亡风险相关的CpG位点进行优化，也无法在体外或体内实验中，被衰老清除药物（senolytics）有效逆转。这项研究挑战了衰老生物标志物在衰老科学干预后必然下降的假设，对利用DNA甲基化监测衰老清除治疗的有效性提出了根本性质疑。

　　

DNA甲基化与细胞衰老的复杂纠葛

引言：衰老科学干预与生物标志物的挑战

根据衰老科学（Geroscience）假说，能够改变衰老速度的治疗策略在预防医学领域具有巨大潜力，有助于延缓衰老相关疾病的发生或减轻其严重程度。其中，基于DNA甲基化（DNAm）的表观遗传时钟，是预测长期发病率和死亡风险的一类常用衰老生物标志物。与此同时，细胞衰老被认为是驱动年龄相关疾病的重要因素，并可通过衰老清除药物（senolytics）进行靶向清除。理论上，能够监测细胞衰老进程及其清除的生物标志物具有重要价值。然而，现有研究却发现，当前的表观遗传时钟与细胞衰老的关联并不一致，且在衰老清除治疗后并未显示降低。这使得人们质疑细胞衰老能否被DNA甲基化有效捕获，以及衰老生物标志物在干预后必然下降的假设是否成立。

有限的CpG子集与细胞衰老相关

为了探究这一问题，本研究首先通过元分析，在体外识别了与复制性、DNA损伤和癌基因诱导的细胞衰老显著相关的CpG位点。在分析的396,333个CpG中，仅有37,815个与至少两种类型的衰老显著相关，且方向一致，被认为是潜在的泛衰老表型标记。值得注意的是，有大量与衰老相关的CpG位点在体内的变化方向与年龄增长和死亡风险的变化方向相反，这解释了为何现有表观遗传时钟与衰老关联不一致。最终，仅有9,363个CpG位点在细胞衰老、年龄增长和死亡风险三者中呈现出同向变化，仅占分析总位点的2.4%。

构建“衰老富集”的表观遗传时钟

基于这9,363个具有一致性的CpG位点，研究团队训练了三种新的“衰老富集”表观遗传时钟预测因子：

1. 1.
   SenCultureAge：一个用于预测体外衰老状态的二元分类器。
2. 2.
   SenChronoAge：一个用于预测实际年龄的时钟。
3. 3.
   SenMortalityAge：一个用于预测死亡风险的时钟。

功能分析表明，这些预测因子所包含的CpG位点确实与细胞衰老生物学相关。例如，许多位点位于已知的衰老抑制基因（如ALKBH3, ILK）的启动子区域，或衰老诱导基因（如HIPK2, MAD1L1）的基因体内。这些预测因子在与衰老、吸烟、慢性阻塞性肺疾病等已知与衰老相关的性状上也显示出富集。

令人意外的发现：衰老清除疗法无法逆转时钟

在验证阶段，这三种“衰老富集”时钟在独立的体外测试数据集中，能不同程度地识别衰老细胞，并与年龄和死亡风险存在相关性。然而，最关键且令人惊讶的发现是：无论是在体外还是体内的衰老清除治疗数据集中，这三种时钟的预测值均未出现显著降低，甚至在部分案例中呈现加速趋势。例如，在人类临床试验中，使用达沙替尼和槲皮素治疗3个月后，SenCultureAge时钟甚至出现了显著加速。这一结果与之前关于其他表观遗传时钟在衰老清除治疗后不降反升的报道一致。

深入机制：衰老相关CpG对衰老清除疗法的复杂响应

为了理解这一现象，研究者进一步分析了每个衰老相关CpG位点在衰老和衰老清除治疗中的效应值。结果显示，在许多治疗数据集中，有大量CpG位点在衰老清除治疗后，其甲基化水平的变化方向与其在细胞衰老时的变化方向相同，这直接解释了为何衰老清除治疗后整体时钟评分不降反升。尽管也存在一些变化方向相反的位点，但这些位点在各个数据集间并不一致，因此无法基于此构建一个可靠的、可预测治疗反应的生物标志物。

讨论：挑战与反思

本研究的结果提出了几个重要的替代性假设，挑战了关于细胞衰老、表观遗传和衰老清除治疗的简单线性认知：

1. 1.
   衰老细胞的异质性：特定的衰老清除药物可能无法清除所有类型的衰老细胞。
2. 2.
   药物的双重作用：衰老清除药物在清除衰老细胞的同时，可能对非衰老细胞产生促衰老或细胞毒性效应。
3. 3.
   代偿性增殖：衰老细胞被清除后，剩余的非衰老细胞可能加速增殖，而增殖本身可能与某些甲基化变化相关，从而抵消了清除衰老细胞的积极效应。
4. 4.
   信号来源的误读：DNA甲基化的衰老特征可能并非直接来自衰老细胞本身，而是源于非衰老细胞对周围衰老细胞存在的“反应”。在这种情况下，即使清除了衰老细胞，周围反应性细胞的甲基化状态也可能不会在短时间内恢复。

结论：反向的表观遗传签名

总之，这项研究表明，虽然细胞衰老、衰老和死亡风险在DNA甲基组层面存在重叠，但其关系非常复杂。专注于重叠CpG位点的“衰老富集”时钟并未在衰老清除治疗后发生逆转，这直接挑战了“衰老干预必然导致衰老生物标志物逆转”的普遍假设。未来的研究需要进一步评估，这种难以捕获干预效果的现象是普遍存在于不同抗衰老治疗中，还是细胞衰老这一特定领域所面临的特殊挑战。研究结果强调，我们需要重新审视DNA甲基化作为监测细胞衰老及其清除效果的生物标志物的有效性和适用边界。