摘要：衰老的特征是组织和器官的功能衰退以及与衰老相关的疾病的风险增加。已经提出了几种“恢复活力”的干预措施来延缓衰老和与年龄相关的衰退和疾病的发生，以延长健康寿命和寿命。这些干预措施包括代谢操纵、部分重编程、异慢性异种共生、药物管理和衰老细胞消融。由于衰老过程与基因

2020年《Molecular Cell Biology Reviews》综述文章：The ageing epigenome and its rejuvenation。

衰老的特征是组织和器官的功能衰退以及与衰老相关的疾病的风险增加。已经提出了几种“恢复活力”的干预措施来延缓衰老和与年龄相关的衰退和疾病的发生，以延长健康寿命和寿命。这些干预措施包括代谢操纵、部分重编程、异慢性异种共生、药物管理和衰老细胞消融。由于衰老过程与基因调控的表观遗传机制改变有关，例如 DNA 甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑以及非编码 RNA，因此对这些机制的操纵对于延缓衰老干预措施的有效性至关重要。这篇综述讨论了衰老过程中发生的表观遗传变化，以及人们对这些表观遗传机制如何影响健康寿命和延长寿命的了解的迅速增加，并概述了一些问题，以指导未来对恢复表观基因组和延缓衰老过程的干预研究。

最近对全球人口数据的分析表明，人类的最长寿命是有限度的。然而，在过去的一个世纪中，大多数国家/地区的人类预期寿命都在稳步增长。生活方式的改变和医疗服务的改善等环境因素是老年人预期寿命延长的主要原因。环境条件可以影响分子机制，并可能影响细胞表观基因组来调节基因表达和控制细胞命运，最终可能导致衰老过程的加重或减轻。例如，与衰老相关的表观遗传变化的逐渐积累可能导致异常的基因表达调节、代谢不稳定、干细胞衰老和/或衰竭以及组织稳态失衡，所有这些都会导致衰老。最近基于动物模型的研究表明，DNA甲基化、组蛋白翻译后修饰以及染色质组织和重塑的改变会影响健康寿命和寿命3。

真核生物中最丰富的DNA甲基化类型是胞嘧啶 5-甲基化，它受 DNA 甲基转移酶 (DNMT) 和十一易位酶（TET 酶）调节（图 1）。最近表明，DNA 甲基化水平，特别是5-甲基胞嘧啶的模式在衰老过程中发生了改变。这种 DNA 甲基化状态可用于预测各种组织（例如血液、肾脏和肝脏）的实足年龄，因此被称为“表观遗传时钟”。组蛋白会发生翻译后修饰，例如赖氨酸甲基化和乙酰化（图 1）。所有这些修饰对染色质功能至关重要，调节 DNA 对转录复合物的可用性。核小体定位还调节染色质的可及性（即染色质是处于开放状态还是闭合状态），并与细胞类型特异性基因表达程序相关，并随着年龄的增长而变化。此外，非编码 RNA，包括长链非编码 RNA、微小 RNA 和环状 RNA，提供了额外的表观遗传调控层，这在衰老的背景下很重要。

最近的研究发现，在衰老过程中会发生显着的染色质变化，通常伴随着组成型异染色质的逐渐丧失（图 1）。

图1|衰老和再生的表观遗传学基础。衰老相关的表观遗传学变化包括DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑，这些共同导致衰老细胞中异染色质的普遍缺失。

保持异染色质和常染色质之间的平衡可以防止衰老过程中积累的细胞缺陷，包括基因组不稳定、线粒体功能障碍、代谢失衡、慢性炎症、衰老相关分泌表型（SASP）、干细胞衰竭和衰老细胞积累。总之，寿命干预策略通过不同的表观遗传调控层来维持细胞、组织和生物体的健康状态。

Ac，组蛋白乙酰化；HP1、异染色质蛋白1（HP1家族成员为HP1α、HP1β和HP1γ）；Me，H3K9me3。

此外，表观遗传因素调节衰老过程的观点得到了众多证据的支持。例如，人们发现表观遗传漂移发生在衰老过程中，表观遗传机制介导的跨代遗传对衰老有影响，最重要的是，环境和表观遗传因素（如 sirtuins）可以直接调节衰老动力学。

衰老标志可以通过遗传、营养或药理学干预来调节，染色质结构的稳定对于延缓模型系统的衰老至关重要。事实上，对小鼠肝细胞整体DNA甲基化模式的分析表明，延长寿命的干预措施，如饮食限制、运动和补充雷帕霉素，会减缓衰老相关表观遗传学特征的获取。此外，组蛋白水平的降低与正常衰老有关，相反，组蛋白水平的恢复促进酵母寿命的延长。这些发现共同表明，可以在不修改基因组序列的情况下延缓衰老，这表明基因调控的表观遗传形式是影响衰老的主要机制之一。因此，更好地了解组织和机体退化和衰老相关疾病的根本原因，以及老年保护干预的表观遗传目标，对于制定更有效的策略来改善这些疾病或延缓它们的发作并延长寿命至关重要。

在这篇综述中，我们首先描述了我们目前对衰老过程中发生的表观遗传变化以及导致这些变化的表观遗传调节因子的理解。然后，我们讨论了关于延长健康跨度和延长寿命的干预措施如何影响染色质结构和组织以及这些染色质变化如何影响细胞功能和机体衰老的当前知识。这些干预措施包括代谢操作、部分重编程、异慢性异种共生、药物管理和衰老细胞消融。此外，我们试图通过讨论干细胞功能的恢复、线粒体活性的挽救、激活的转座子的抑制和与年龄相关的慢性炎症的抑制，来剖析“重置”表观基因组如何导致细胞、组织和生物体恢复活力（图1）。

间期染色质传统上根据 DNA 包装状态分为常染色质或异染色质。与常染色质相比，异染色质更浓缩、更不易接近且通常更少被转录（图 1）。异染色质的组装和维护取决于重复的 DNA 元素分布和染色体位置，以及被占据的核区域（例如，它是否位于核外围）。异染色质通常覆盖高密度重复 DNA 元件（如端粒序列、卫星序列、核糖体 DNA 重复和转座元件）；因此，着丝粒、端粒和核仁是异染色质的主要位置。异染色质通常也包含在层相关结构域 (LAD) 中，大型基因组区域与核层相互作用，核层的重组是衰老的一个特征。重要的是，异染色质形成染色质“块结构”，它在稳定整个基因组方面起着至关重要的作用，不仅在结构上而且在遗传和表观遗传上。

异染色质以多种形式的表观遗传修饰为特征，包括 DNA 甲基化和组蛋白修饰，例如组蛋白H3 Lys9 三甲基化和组蛋白 H4 Lys20三甲基化。一般来说，所有这些修饰和组蛋白的存在都会随着年龄的增长而减少；因此，有人提出衰老至少部分与异染色质的破坏有关（图 1）。然而，衰老引起的异染色质变化（无论是丢失还是获得）的程度甚至方向在细胞、器官和物种之间存在差异，这突出了衰老背后的表观遗传机制的复杂性。例如，已在小鼠、褐家鼠和人类中报道了衰老过程中的整体 DNA 低甲基化。还报道了 DNA 甲基化重新分布到衰老相关的异染色质灶和某些基因座中启动子的超甲基化，例如细胞周期促进基因的启动子，引发永久性细胞周期停滞。Lys9-三甲基化组蛋白 H3 (H3K9me3) 在参与转录沉默的异染色质区域的富集在衰老的人中胚层细胞和其他用于研究衰老的模型系统中减少，例如小鼠和秀丽隐杆线虫。然而，H3K9me3的富集在衰老的黑腹果蝇的头部增加。此外，人类成纤维细胞中H4K20me3 在中心异染色质中的富集减少，但在褐家鼠的老年肝脏和肾脏中增加。H3K27me3（常染色质和异染色质中的转录抑制标记物）、H3K4me3（常染色质中的转录激活标记物）和 H3K36me3（常染色质中富含的转录延伸标记物）的衰老相关表观遗传漂移甚至更加不可预测且与细胞环境相关。

由于无法从迄今为止获得的任何细胞类型、组织或物种的衰老数据中推断出统一的特征，我们倾向于得出结论，即 H3K4me3、H3K27me3和 H3K36me3可能在衰老过程中经历“重塑”。尽管异染色质缺失在不同物种的衰老细胞和组织中普遍存在（图 1），但特定表观遗传改变的变化和影响高度依赖于细胞环境。这些依赖于上下文的表观遗传变化可能会增加组织中细胞之间的整体随机性和异质性，并且这种异质性的增加可能会导致衰老。我们希望开发越来越复杂的方法来映射染色体的动态 3D 结构变化及其在各种衰老细胞中的应用，最终可能会导致不同的表观遗传修饰如何随着衰老而改变的统一模型。

现在公认的是，表观遗传改变是衰老的标志。然而，了解这些表观遗传变化与衰老过程之间的因果关系是一个活跃的研究领域。两条证据表明表观遗传改变在衰老过程中起着重要作用。首先，在衰老过程中积累的表观遗传漂移或突变会导致基因组不稳定性的变化和基因表达谱的变化，其特征是基因表达噪音的增加，这与衰老有关。其次，一代人积累的表观遗传改变可以传递给下一代并影响后代的衰老过程。
环境诱导的染色质状态的表观基因组变化随着时间的推移在衰老的生物体中异质地积累，导致基因表达的显着细胞间异质性。单细胞测序技术的进步表明，与从年轻小鼠或人类身上采集的细胞相比，衰老的心脏、肌肉、胰腺和真皮细胞的细胞间变异和基因表达噪声增加。老年小鼠肌肉干细胞中积累的随机 DNA 甲基化变化，以及不同启动子区域 DNA 甲基化状态的异质性增加与其控制下基因转录噪声的增加有关。同样，对来自年轻和年老小鼠的记忆 CD4+ T 细胞的单细胞分析表明，免疫学参数的变化，包括免疫细胞类型和细胞因子反应的频率，在很大程度上是由非遗传因素驱动的。
此外，单细胞染色质修饰分析表明，Polycomb抑制复合物 2 (PRC2) 介导的修饰（例如，组蛋白H3 Lys27 二甲基化/三甲基化和 Lys119 的组蛋白H2A泛素化）在广泛的免疫细胞中的细胞表观遗传异质性水平升高来自老老鼠的类型。
据报道，老年同卵双胞胎的转录和表观遗传异质性高于年轻双胞胎。终生暴露于环境压力可能会导致细胞和有机体水平的表观遗传漂移，从而导致基因表达中断、调节性 T 细胞的细胞频率改变和表型不一致。年长的同卵双胞胎在全局和位点特异性 DNA 甲基化、组蛋白乙酰化和 PRC2 依赖性组蛋白 H3 Lys27 三甲基化水平上表现出显着的异质性，这与衰老过程中较高的转录噪声有关。因此，环境因素可以通过改变表观基因组来影响健康寿命和寿命。表观基因组的这种变化可能是不可遗传的；然而，在某些情况下，环境扰动会导致可遗传的表观遗传变化，从而影响父母和后代的寿命以及与年龄相关的疾病的发展。为支持这一假设，年老的父系小鼠的后代寿命较短，并且比年轻的父系小鼠的后代更早出现衰老表型。

在 D. melanogaster 中，喂食高水平糖分的雄性会表达嵌入异染色质中的基因，从而导致代谢网络的跨代重编程和后代肥胖。在小鼠中，高脂肪母体饮食会诱导过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1-α（Ppargc1a，也称为 PGC-1α）启动子的遗传性高甲基化，导致后代的年龄依赖性代谢功能障碍是可以预防的通过练习。同样，大鼠的高脂肪父亲饮食导致后代有肥胖倾向和葡萄糖耐量受损。次优的母体营养导致胰岛中肝细胞核因子4α基因 (Hnf4a) 的进行性表观遗传沉默，最终导致后代患糖尿病。产前营养不良改变了雄性小鼠成年后的种系 DNA 甲基化组，此外，这些雄性小鼠的后代葡萄糖耐量受损，脂质丰度增加。染色质标记的跨代遗传延长了秀丽隐杆线虫多代的寿命，为表观遗传调控在复杂衰老过程中的作用提供了进一步的有力证据。

由于表观遗传变化在衰老中发挥重要作用，因此延长健康寿命和延长寿命的干预措施应该使老年表观基因组恢复活力，因此针对表观遗传调节因子的策略在抵消衰老相关衰退方面具有巨大潜力。在下面的章节中，我们将讨论潜在的复兴策略及其机制。

新陈代谢和表观遗传学错综复杂地联系在一起，共同影响衰老过程。

葡萄糖、脂肪酸和氨基酸等关键营养素的可用性直接影响机体寿命。受损的糖酵解已被证明可以延长寿命并且补充 d-氨基葡萄糖（一种可以损害葡萄糖代谢的葡萄糖拮抗剂）可以延长线虫和小鼠的寿命。此外，氨基酸和脂质组成与年龄密切相关，可用作健康寿命的指标，正如对健康年轻人和老年人血浆的液相色谱-质谱代谢组学分析所揭示的那样。参与脂肪酸氧化的基因的全身过表达延长了黑腹果蝇的寿命。值得注意的是，膳食补充单不饱和脂肪酸足以延长秀丽隐杆线虫的寿命。此外，H3K4me3甲基转移酶复合物的缺乏特别促进了单不饱和脂肪酸的积累并延长了秀丽隐杆线虫的寿命。

饮食限制，包括每日或间歇性热量限制 (CR)，是一种简单、无创的代谢控制方法，可用于延长健康寿命和寿命。两项针对健康人类的试点临床试验表明，饮食限制可降低系统性衰老生物标志物的水平，并降低癌症和心血管疾病的多种风险因素的水平，支持饮食限制可延长人类健康寿命的观点。至关重要的是，CR 对成体干细胞具有深远的影响。CR 保留了骨髓中神经干细胞、间充质干细胞 (MSC)、肠干细胞、内皮祖细胞和造血干细胞 (HSC) 的功能。在老年小鼠中，代谢干预可降低胰岛素样生长因子1 (IGF1) 的水平，限制蛋白激酶A (PKA) 的活性，提高神经元特异性转录因子 NEUROD1 的水平，促进海马体神经发生并改善认知表现。此外，短期禁食通过诱导强大的过氧化物酶体增殖物激活受体γ介导的脂肪酸氧化程序，促进年轻和老年小鼠的肠道干细胞和祖细胞功能。短期 CR 还可以增强骨骼肌干细胞功能。

尽管对CR有益机制的研究主要集中在调节能量代谢和生长的进化保守途径（例如，胰岛素/IGF1信号和mTOR途径），但大量研究表明营养和代谢因素会影响表观遗传程序，并在调节干细胞功能和衰老过程中发挥关键作用。

染色质和代谢状态会影响寿命，但直到最近才探索它们如何相互作用以调节寿命。 CR 对健康寿命和寿命的影响，至少部分是由于防止了与衰老相关的 DNA 甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑的全球变化。首先，CR 通常可以防止与年龄相关的 DNA 甲基化变化。例如，接受 CR 的猕猴和小鼠的甲基化年龄小于它们的实足年龄。暴露于CR超过10年的老年恒河猴的 DNA 甲基化年龄比实际年龄少7年。在接受代谢干预的老年小鼠中，肝细胞中的 DNA 甲基化模式被改变，以包括参与脂质代谢的基因的蛋白质编码区域，抑制这些基因的表达并降低甘油三酯的全身水平。 CR转录调节小鼠中的甲基胞嘧啶双加氧酶 TET1和TET3，后者催化5-甲基胞嘧啶氧化为5-羟甲基胞嘧啶以及随后的 DNA去甲基化（图 2）。葡萄糖限制增加 DNMT1 活性，导致 p16启动子超甲基化和p16 表达降低。

Sirtuin蛋白家族的成员是第一组已知是衰老和CR73-76关键调节剂的表观遗传酶之一。在酵母中，CR通过增加酵母sirtuin沉默信息调节因子 2 (Sir2) 的活性来延长寿命，Sir2 被发现是一种 NAD 依赖性组蛋白脱乙酰酶 (HDAC)。

在哺乳动物中，sirtuin 家族包含七个 Sir2同源物 SIRT1-SIRT7，其表达或酶活性在 CR 后增加。值得注意的是，CR 通过诱导 SIRT1 表达来延长寿命，而 SIRT1 的过表达模仿 CR 表型，延缓小鼠的衰老。SIRT6 缺陷导致小鼠寿命缩短和非人类灵长类动物模型的寿命极短。相比之下，SIRT6 过表达和 CR 诱导的 SIRT6激活可延缓衰老。此外，施用sirtuin激活剂（例如SRT1720）可延长肥胖小鼠的健康寿命和喂食标准饮食的小鼠的寿命。SIRT1–SIRT7的这些延长寿命的功能主要是通过它们的酶功能实现的，例如脱乙酰酶和单-ADP-核糖基转移酶，尤其是当组蛋白用作底物时。 CR还诱导 SIRT1 在染色质上的重新分布，减少SIRT1在营养反应基因上的富集并增强转录因子 HES1 的表达，从而促进成人神经发生（图 2）。对于其他类型的 HDAC，据报道，在老年小鼠中，饮食限制会抑制 HDAC 活性并增加组蛋白 H3 Lys9 乙酰化（活跃转录的标志）（图 2）。HDAC抑制和Lys9乙酰化组蛋白H3积累一起上调转录因子FOXO3及其靶标，其激活抗氧化反应并防止老化过程中细胞损伤的积累（图2）。选择性 HDAC 抑制剂（例如丙戊酸和 β-羟基丁酸酯）对 HDAC 的抑制可延长秀丽隐杆线虫的寿命。

图2|热量限制调节表观遗传途径。热量限制（CR）是一种强大的恢复活力的策略，可以让衰老的时间倒流。

CR通过两种代表性机制影响表观遗传学过程：DNA甲基化和组蛋白修饰。例如，CR激活DNA甲基转移酶（DNMT），使衰老促进基因（如编码p16和RAS的基因，其激活诱导细胞衰老）的启动子区超甲基化，从而停止这些基因的表达。CR还调节10–11个易位（TET），以改变全球DNA甲基化格局。在组蛋白水平上，CR被广泛报道能够激活哺乳动物Sir2或Sir2的七种同源物（SIRT1–SIRT7）。另一方面，CR导致染色质上SIRT1的重新分布，导致Hes1（一种碱性螺旋-环-螺旋转录调节因子）启动子处Lys9乙酰化组蛋白H3（H3K9ac）的富集，并促进成人神经发生。其他组蛋白脱乙酰酶（HDAC）可能被CR抑制，导致转录因子Foxo3启动子处的H3K9ac水平升高，并诱导抗氧化反应。总之，CR诱导的表观遗传学变化导致染色质的整体凝聚得以维持，异常基因表达得以逆转，并最终延长了健康寿命。Ac，组蛋白乙酰化；5-caC、5-羧基胞嘧啶；5-FC、5-甲酰基胞嘧啶；HATs，组蛋白乙酰转移酶；5-羟甲基胞嘧啶；5-mC、5-甲基胞嘧啶。

CR 对应激反应途径的影响部分被 ISW2的缺失所模拟，ISW2是秀丽隐杆线虫和人类成纤维细胞中 ATP 依赖性染色质重塑复合物的一个组成部分。此外，CR 还通过 RNA 剪接调节寿命，抑制mTOR复合物 1 并调节剪接因子 1 (SFA1)，后者调节秀丽隐杆线虫中的前 mRNA 剪接稳态和寿命。总之，这些发现表明CR通过塑造 DNA 甲基化和组蛋白修饰景观以及通过影响 RNA 剪接来延迟与衰老相关的表观遗传改变，从而延缓衰老过程。

衰老和营养感知也与昼夜节律自然相关，昼夜节律驱动生理和细胞适应昼夜周期。在老年小鼠中，振荡的昼夜转录组在表皮和肌肉干细胞中重新连接，将表达从参与体内平衡的基因转换为负责应激适应的基因。这种与年龄相关的振荡转录组重编程被长期 CR 以SIRT1依赖性方式抑制。大脑中缺乏SIRT1的小鼠重现了这些与年龄相关的昼夜节律变化，而大脑中过度表达 SIRT1的小鼠在衰老过程中不受昼夜节律干扰。因此，CR 的寿命延长效果可能部分归因于生物钟的重新编程。

表观遗传景观的全局重编程有助于细胞命运转换和谱系确定。体细胞通过多种重编程策略被诱导恢复多能性，其中最常见的涉及四种 Yamanaka 因子 OCT4、SOX2、KLF4 和 MYC（统称为OSKM）的过表达。OSKM重新编程的小鼠细胞核可以产生有活力的胚胎，这些胚胎可以发育成不表现出过早衰老的可育成体，这表明供体细胞核的实际年龄已被重置。因此，核重编程似乎能够重置老化时钟。

从百岁老人、超级百岁老人和患有早衰综合征（包括 Hutchinson–Gilford 早衰综合征 (HGPS)、Nestor–Guillermo 早衰综合征、Werner 综合征 (WS)、着色性干皮病、Fanconi 贫血、Cockayne 综合征和共济失调毛细血管扩张症）的个体收集的成纤维细胞已成功使用生成人类诱导多能干细胞 (iPSC)，尽管在某些情况下效率低于年轻成纤维细胞（图 3）。从百岁老人的 iPSC 分化而来的成纤维细胞的转录组学特征与从人类胚胎干细胞衍生的成纤维细胞的转录组学特征相似，表明转录组成功再生（图 3）。

图3|重新编程克服衰老障碍，使衰老细胞恢复活力。即使是来自百岁老人或早衰症患者的老化细胞也可以被重新编程以产生诱导多能干细胞（iPSC）。表观遗传因子，包括表观遗传酶、长非编码RNA（lncRNA）和微小RNA（miRNA），在控制重编程效率方面发挥着至关重要的作用。生成的iPSC具有正常的自我更新能力。

在分化过程中，与原始老化细胞相比，iPSC后代细胞也表现出恢复活力的细胞参数，而如果不纠正与疾病相关的突变，则在连续培养传代后可以重现加速衰老。AT，共济失调毛细血管扩张症；CS，Cockayne综合征；FA，范科尼贫血；HGPS，Hutchinson-Gilford早衰综合征；H3K9me3、Lys9三甲基化组蛋白H3；H4K20me3、Lys20三甲基化组蛋白H4；NGPS、Nestor–Guillermo早衰综合征；WS、Werner综合征；XP，着色性干皮病。

虽然 HGPS衍生和WS衍生的 iPSC 能够在分化效率没有明显下降的情况下产生 MSC，但这些MSC表现出加速衰老并在延长的体外培养后重建“衰老表观基因组”。这些研究表明，老化的表观基因组可以在重新编程为多能性时重置为更年轻的状态，这可以称为衰老逆转过程，尽管 iPSC 仍携带致病突变。

一项启发思想的研究报告说，重编程因子的循环表达在机体水平上有影响，因为它延长了早衰小鼠模型的寿命，并且有利于生理老化的野生型小鼠的健康。此外，部分重编程恢复了骨骼肌中卫星细胞的数量和皮肤中毛囊干细胞的数量。通过表达OSKM的腺相关病毒载体进行的部分重编程显着改善了损伤后的轴突再生。然而，与衰老相关的 DNA 甲基化模式并没有被转分化消除。从老年小鼠的成纤维细胞转分化的神经元保留了衰老的生物标志物。

为什么重编程重置了衰老的表观遗传时钟而转分化却没有这样做仍然是一个悬而未决的问题。有据可查的是，OSKM的表达启动了广泛的染色质重塑，并与各种表观遗传酶和其他转录因子合作重塑了染色质结构。例如，OCT4作为先驱因子可松开异染色质并有助于全面降低抑制性H3K9me2、H3K9me3和5-甲基胞嘧啶的水平，这些都是重编程过程的障碍。此外，原始体细胞的表观遗传记忆在OSKM介导的重编程为多能状态期间被大量擦除，并在随后的分化过程中被重写。转分化不涉及中间多能状态，虽然它可能涉及染色质允许性的增加以允许原始细胞转变为另一种成熟细胞类型，但它可能不需要大规模的染色质重塑，在此期间衰老的表观遗传标志是擦除。因此，多能性因子有可能在细胞、组织和有机体水平上将细胞重新编程为更年轻的状态，这表明衰老可能是一个可逆的过程。

细胞衰老对成功的重编程施加了障碍。抑制衰老促进因子，包括TP53、p16INK4A、p21WAF1/CIP1 和mTOR，可提高衰老细胞生成 iPSC的效率。此外，在衰老细胞中沉默长链非编码RNA Zeb2-NAT 和 microRNA miR-也有助于重编程。体细胞重编程重置衰老细胞的分子和细胞特征，包括端粒大小、基因表达谱、氧化应激和线粒体代谢，从而消除与年龄相关的特征。表观遗传变化可能是这些年龄相关逆转的核心。通过特定转录因子的异位表达对多能性进行重编程可促进表观遗传重编程并将衰老细胞重置回胚胎样状态 。体内和体外研究均表明，重编程因子可诱导染色质景观的完全重塑，包括H3K9me3和H4K20me3水平的恢复。尽管如此，关于多能性因子的重编程如何使衰老细胞的转录和表观遗传程序恢复活力的研究还很少。

一个挑战是，衰老特征的消除伴随着重编程过程中细胞身份的丧失，这使得很难区分使衰老细胞恢复活力所需的基本表观遗传变化与控制细胞身份转换的那些变化。已经表明，部分重编程导致体细胞身份丧失之前表观遗传年龄的稳步降低。在时间进程重编程实验中，表观遗传变化先于DNA损伤和衰老标记物的逆转，并且发现抑制H3K9me3甲基转移酶会减弱再生效应。总之，这些研究支持通过重新编程策略进行表观遗传重新布线对衰老细胞再生的重要性，并表明重新编程的表观遗传障碍是基于再生疗法的潜在目标。

在异慢性异种共生中，年轻和年老动物的循环系统通过手术连接，从而促进血液中存在的免疫细胞和分泌因子的交换。异时性共生可以减弱老年小鼠衰老的几个特征，包括免疫反应改变和干细胞耗竭。独立实验室已经证实，异慢性异种共生对老年小鼠具有恢复活力的作用，可改善多种类型组织（包括肌肉、肝脏、大脑、胰腺、心脏、骨骼和动脉组织）中与年龄相关的功能障碍。

尽管异慢性异种共生的促青春作用的潜在机制仍然难以捉摸，但据信成纤维细胞生长因子21 (FGF21) 等循环因子是部分原因。年轻的血液使衰老干细胞的再生能力恢复活力，并将衰老细胞的分子特征恢复到更年轻的状态，这表明通过异慢性异种共生暴露于年轻的微环境可以减轻与年龄相关的表观遗传改变的出现。根据这一观点，据报道，不平衡的表观遗传状态被异慢性异种共生所逆转。老年海马体中 TET2 水平的降低被发现在脑再生的异慢性异种共生模型中得到逆转。然而，确定年轻血液是否能够将旧细胞的染色质景观重新编程为年轻状态，同时保留其固有的细胞特性将是一件有趣的事情。

表观遗传图谱的具体表征，包括暴露于异慢性异种共生的细胞的DNA甲基化和组蛋白修饰，可能有助于确定表观遗传重编程的分子机制，将该系统与其他恢复活力的方法进行比较，并促进健康寿命延长治疗的开发。

药物疗法能否帮助我们减少衰老甚至逆转生理年龄的影响？已经鉴定出具有抗衰老特性的药物、化合物和补充剂可以延长模式生物（例如小鼠、黑腹果蝇和秀丽隐杆线虫）的寿命，这可能有助于重置衰老时钟。

抗衰老化合物，如二甲双胍和雷帕霉素，在治疗与年龄相关的疾病和延缓衰老方面大有可为。因此，这些化合物受到了制药行业的极大关注。二甲双胍调节AMP活化蛋白激酶 (AMPK) 的激活，AMPK直接调节许多表观遗传酶的活性，例如组蛋白乙酰转移酶 (HAT)、HDAC和DNMT。此外，二甲双胍恢复AMPK 介导的磷酸化并稳定TET2，从而防止5-羟甲基胞嘧啶水平的变化。另一方面，雷帕霉素治疗减缓了小鼠肝细胞中表观遗传衰老特征的积累，类似于CR。

阿司匹林补充剂也被证明可以概括CR的延缓衰老作用。从机制上讲，阿司匹林代谢物水杨酸盐可能竞争性抑制 HAT p300并触发心脏保护性线粒体自噬（如在小鼠和线虫中观察到的那样）。在WS的干细胞模型中筛选能够延缓细胞衰老的化学物质，发现抗坏血酸是一种强大的小分子，可减轻与衰老相关的缺陷；已确定的恢复活力化学品组还包括槲皮素。抗坏血酸重置基因表达谱，恢复异染色质结构并减轻衰老缺陷，可能以表观遗传学依赖的方式。抗坏血酸是含有Jumonji C结构域的去甲基化酶促进组蛋白去甲基化的辅助因子，这有助于在重编程开始时擦除表观遗传记忆。此外，抗坏血酸在人类和小鼠体内维持异常高水平的 HSC，有助于促进TET2活性，维持HSC库并抑制体内白血病生成。

衰老细胞的积累是衰老的标志之一。Senolytics选择性地消除衰老细胞，代表了一类可能减缓衰老过程的新型药物。消除表达p16INK4A 的衰老细胞可延长早衰模型小鼠和野生型小鼠的寿命，无论所检查小鼠的性别或品系如何。清除肥胖小鼠中的衰老细胞可部分防止神经干细胞的耗竭。这种干预改善了一系列年龄依赖性疾病表型，包括癌症、白内障、肾功能障碍以及心脏和脂肪组织异常。Senolytics被开发用于消融衰老细胞并以细胞类型特异性方式逆转与年龄相关的表型。例如，达沙替尼可消除衰老的脂肪细胞祖细胞，而槲皮素可有效消除衰老的人内皮细胞和小鼠骨髓干细胞。槲皮素是一种在自然界中普遍存在的类黄酮，被发现能够调节DNMT、HDAC 和组蛋白甲基转移酶的活性。化学筛选表明，槲皮素通过增强衰老的 MSCs中的自我更新和恢复异染色质结构，起到了衰老保护剂的作用。尽管抗衰老化合物与“更年轻”的染色质结构有关，但仍需要进一步研究来阐明这些长寿药物如何靶向表观遗传网络来延缓衰老过程。

恢复年轻的表观基因组对于维持老年动物的组织功能和延长寿命可能至关重要。值得注意的是，这些策略的全球观点表明，这里讨论的大多数干预措施都被证明能够帮助维持干细胞库。因此，研究如何在暴露于恢复活力的干预措施下的衰老干细胞中恢复年轻功能，并确定促成这一过程的趋同表观遗传机制，将是一件很有趣的事情。此外，我们强调了一个事实，即表观遗传年轻化还可以通过逆转其他衰老标志（例如线粒体功能障碍、逆转录转座子激活和慢性炎症引起的基因组不稳定）来延长寿命。在下一节中，我们将剖析表观遗传调控与这些细胞质和细胞核事件之间的联系，并通过关注这些关键的生物学途径来讨论表观遗传重编程对衰老恢复的贡献。

功能失调的线粒体通常在衰老细胞中积累。在CR、部分重编程、异慢性共生和药物管理后观察到线粒体恢复 。CR增加肌肉和白色脂肪等组织中的线粒体生物合成。给小鼠喂食白藜芦醇可上调肌肉中线粒体的数量，改善体力活动并延长小鼠的平均寿命。细胞重编程使线粒体恢复到类似于在胚胎干细胞中观察到的状态。此外，异慢性异种共生减少了老年小鼠骨骼肌中的线粒体肿胀和空泡化。

延长寿命的线粒体依赖性机制包括氧化磷酸化减弱和调节线粒体未折叠蛋白反应（图 4）。

图4 |线粒体作为节点的模型，将干预策略与表观遗传调控联系起来。据报道，各种与健康相关和寿命相关的干预措施，如热量限制（CR）、部分重编程、异时共生和药物给药，能够使衰老的线粒体恢复到更年轻的状态。

健康线粒体产生的信号和辅因子（例如，乙酰辅酶A、NAD+、α-酮戊二酸（α-KG）、S-腺苷甲硫氨酸（SAM）和活性氧（ROS））调节表观遗传修饰物的活性，从而调节表观基因组，进而改变细胞核编码的线粒体基因和其他影响线粒体生物发生或功能的基因的表达水平。通常，NAD+、α-KG和SAM被认为在“再生”过程中上调，而乙酰辅酶a和ROS的变化趋势尚不清楚（如问号所示）。事实上，线粒体所需的绝大多数蛋白质，如直接参与三羧酸（TCA）循环、氧化磷酸化、脂肪酸β-氧化和线粒体未折叠蛋白反应的蛋白质，都是由核基因组编码的，但不是由大小有限的线粒体基因组编码的。DNMT，DNA甲基转移酶；组蛋白乙酰转移酶；组蛋白甲基转移酶；TET，10–11易位。

从机制上讲，线粒体通过为表观遗传修饰提供底物来调节寿命，从而充当新陈代谢、表观遗传调节和衰老的中心平台。三羧酸循环的代谢中间体和副产物充当各种表观遗传酶的辅助因子和底物。其中包括用于乙酰化的乙酰辅酶A和用于甲基化的S-腺苷甲硫氨酸。此外，三羧酸循环中间体 α-酮戊二酸通过激活含有 Jumonji C 结构域的去甲基化酶和赖氨酸去甲基化酶来诱导 DNA 和组蛋白去甲基化。最近的一项研究表明，α-酮戊二酸水平升高会激活 JMJD3（一种组蛋白 H3K27 去甲基化酶）和PHF8（一种对 H3K9me1/2具有特异性的组蛋白赖氨酸去甲基化酶），从而导致抑制标记的去除和线粒体未折叠蛋白反应基因表达的诱导.这些变化足以延长线虫的寿命。另一个将表观遗传调控与线粒体联系起来的重要代谢物是 NAD+，它是 sirtuins1的辅助因子。高水平的NAD+可改善线粒体功能，补充干细胞库并延长小鼠的寿命。烟酰胺单核苷酸 (NMN) 的血浆水平随着年龄的增长而降低。烟酰胺核苷和 NMN 是 NAD+前体。用 NAD+前体补充老年小鼠可延缓线粒体功能的降低，改善肌肉、神经和黑素细胞干细胞的衰老，减轻与年龄相关的生理衰退（例如，2型糖尿病和认知障碍）并延长寿命。线粒体氧化磷酸化产生的活性氧 (ROS) 也会影响表观遗传信号，ROS 介导的表观遗传变化可能反过来改变调节线粒体代谢的基因表达，最终调节衰老和长寿。线粒体 ROS降低H3K36去甲基化酶Rph1p的水平，导致亚端粒区域 H3K36me3水平升高，从而促进沉默蛋白Sir3p的结合以抑制亚端粒转录和长寿。因此，线粒体在年轻化和衰老过程中与核表观基因组密切相互作用。一方面，环境影响表观基因组以调节线粒体功能。相反，线粒体副产物是表观遗传酶的重要介质，参与延长寿命。了解长寿策略背后的双向线粒体-核通讯可能有助于开发基于机制的干预措施，以促进长寿和健康老龄化。

反转录转座子由长末端重复（LTR）反转录转座子和两种非LTR反转录转座子亚型（长穿插元件（LINEs）和短穿插元件）组成，它们共同构成了人类基因组的几乎一半。逆转录转座元件在年轻细胞和生物体中被异染色质沉默，但由于高级染色质结构的调节不足，它们在细胞衰老和生物体衰老过程中被激活。

延长寿命的干预措施，如CR，可以抵消衰老小鼠中逆转录转座子表达的增加。在老年小鼠的肝脏和肌肉细胞中，CR延迟组成型异染色质的损失，并抑制重复元件的表达，包括LINE1和卫星元件，它们是定位于着丝粒、着丝粒周围和端粒区域的重复序列。CR还可以抑制微小RNA和染色质重塑因子CHD1之间的相互作用，从而防止衰老和不良饮食诱导的反转录转座子的激活。

原则上，反转录转座元件的抑制取决于异染色质的完整性。研究发现，染色质松弛激活了阿尔茨海默病中的转座元件，促进了tau神经原纤维缠结的病理学。异染色质衰变在正常衰老和类孕激素综合征中也有报道。来自老年个体或患有HGPS或WS的患者的细胞表现出异染色质的进行性损失，表现为Lys9处组蛋白H3的组成型异染色素标记三甲基化和表观遗传消音器如HP1α和核小体重塑物和脱乙酰酶复合物的减少。具有反转录转座子元件的区域中异染色质的缺失导致反转录转座元件的再激活和转座（图5）。值得注意的是，异染色质衰变和反转录转座元件的抑制在体外和体内都能逆转衰老。

H3K9me3结合蛋白HP1α的过表达挽救了WS-MSCs中的异染色质紊乱和早衰。Argonaute家族蛋白Piwi和DGCR8维持异染色质并阻止逆转录转座子的活性。Piwi保护黑腹果蝇肠道系统免受与年龄相关的干细胞功能失调和组织稳态丧失的影响，而DGCR8保护间充质干细胞免受过早衰老。因此，在LINE1元件包装成抑制性异染色质的过程中，SIRT6单体ADPribosylate KAP1并促进其与HP1α的相互作用。SIRT1还结合并抑制酵母和哺乳动物细胞中的主要卫星重复序列。

另一种已知的异染色质调节因子，视网膜母细胞瘤蛋白（RB），可拮抗衰老细胞中LINE1的激活，并且在衰老的人类细胞和衰老的小鼠组织中，RB在LINE1启动子上的占有率降低（图5）。同源蛋白转录因子对LINE1表达的抑制阻断成年多巴胺能神经元的变性。此外，组蛋白H3和H4的部分过表达逆转了衰老过程中观察到的转录缺陷，并减少了逆转录转座，这表明老酵母中逆转录转座的增加是衰老过程中组蛋白丢失的结果。此外，CRISPR–Cas9筛选对参与LINE1逆转录转座控制的基因进行了全基因组调查，揭示了人类沉默中枢复合体（HUSH）和MORC家族CW型锌指蛋白2（MORC2）的亚基促进H3K9me3的沉积，以沉默LINE1元件的转录。最近的研究进一步表明，在缺乏Dicer2（一种异染色质结构调节基因）的黑腹果蝇模型中，用核苷逆转录酶抑制剂抑制LINE1元件的转位可以抵消衰老相关的分泌表型和衰老的人成纤维细胞分泌干扰素（图5），并延长寿命。

图5|重复序列形成“块”以维持染色质结构。在年轻细胞中，重复序列被高度DNA甲基化并浓缩成异染色质；其中一些重复序列附着在核膜上，在细胞核外围形成一个核区域，称为“纤层相关结构域”（LAD；用绿色圆圈表示）。

在旧衰老细胞中，重复序列失去了甲基化涂层，并对转录因子开放和可访问。LAD的结构也与核膜分离并被破坏（橙色圆圈表示）。这些过程导致重复序列的重新激活，随着易位和遗传改变数量的增加，增加基因组和表观基因组的不稳定性，以及重复序列的异常转录。一些染色质修饰物或结合蛋白的过度表达促进了重复序列区域中染色质结构的稳定。热量限制（CR）和药物可能有助于在老化细胞中保持浓缩和抑制的异染色质，这可能有助于其延长寿命的功能。HUSH，人类沉默中枢；NuRD、核小体重塑剂和脱乙酰酶。

因此，通过饮食限制和药物施用阻断内源性逆转录转座因子的转录可以改善年龄相关的表型，支持反转录转座子有助于衰老或年龄相关的疾病，因此是治疗干预的潜在目标的观点。总之，这些发现表明，表观遗传学重塑在再生过程中发挥着关键作用，可能是通过增加表观基因组稳定性（特别是异染色质稳定性）来防止逆转录转座子的激活和动员。然而，全基因组定量分析将为衰老过程中反转录转座子转座子的频率、结构和位置提供新的见解，并进一步阐明它们对衰老和再生的总体贡献。

衰老相关的衰老细胞积累导致先天免疫活性激活，促炎细胞因子水平升高，如IL-6、肿瘤坏死因子（TNF）、IL-1β和IFN-γ，这种现象被称为“炎症”。CR和异时共生降低了促炎胞质分裂的水平，最近的研究表明，通过遗传方法或senolytics切除衰老细胞可以减少整个组织的炎症。在部分重新编程后，在早衰症小鼠的脾脏白髓中观察到淋巴结缩小。尽管CR、异时共生、衰老细胞消融和延长生命的药物可以减轻炎症，但炎症的表观遗传学机制仍然难以捉摸。

基因特异性和年龄依赖性的表观遗传学变化控制炎症相关基因的表达，如编码核因子-κB、C/EBPβ、GATA结合因子4（GATA4）、C-X-C基序趋化因子10（CXCL10）、TNF、Krüppel样因子14（KLF14）、环GMP–AMP合酶（cGAS）和STING的基因。cGAS是一种介导I型IFN炎症反应的胞质DNA传感器，通过表观遗传学机制沉默，可被DNA甲基化抑制剂逆转。更重要的是，有证据表明异染色质衰变和炎症是通过胞质DNA或RNA传感途径交织在一起的。如前所述，异染色质的缺失导致逆转录转座子的转录和易位，从而增加胞质DNA的水平。胞质DNA刺激cGAS−STING途径，触发强大的先天免疫反应，并引发I型IFN的产生。I型IFN是与衰老晚期相关的促炎细胞因子，有助于衰老相关分泌表型的发展。因此，cGAS−STING胞浆DNA传感途径在HGPS和生理老化的细胞和生物体中上调并不奇怪。最近，两组研究表明，细胞质LINE1 cDNA驱动衰老细胞中IFN的表达，并促进衰老小鼠的年龄相关炎症（图6）。这些作用被LINE1逆转录酶抑制剂拮抗。然而，关于异染色质影响cGAS–STING通路和炎症反应的生化和生理机制，还有很多需要了解（图6）。

图6|异染色质缺失、逆转录转座子激活和炎症的序列是再生的关键靶点。在衰老的细胞中，异染色质的缺失导致染色质的去凝聚和人类基因组中反转录转座子元件的表达的去表达，例如长穿插核元件（LINEs）。逆转录转座子元件的转录mRNA在细胞质中通过逆转录酶转化为cDNA。

逆转录转座子元件可能会跳到基因组的新位点，导致DNA损伤和基因组不稳定，从而增加双链DNA（dsDNA）的泄漏。过量的cDNA被环GMP–AMP合酶（cGAS）−STING途径吸收，随后激活IRF3。激活的IRF3从细胞质转移到细胞核，并驱动干扰素（IFN）家族基因的表达，干扰素家族基因是衰老相关分泌表型（SASP）的下游介质，最终导致老年生物体的慢性炎症和功能下降。
热量限制（CR）等回春策略可以抑制异染色质的衰变，并从其表观遗传起源点阻碍连锁反应。此外，给予逆转录酶抑制剂可以阻止cGAS–STINGDNA传感通路和SASP的激活。此外，CR还能维持线粒体的健康，防止线粒体DNA（mtDNA）从受损的线粒体中释放出来。更新的线粒体释放出适量的NAD+和三羧酸（TCA）循环的其他产物，这些产物作为表观遗传酶的辅因子发挥作用，这些酶对衰老细胞中恢复表观遗传状态很重要。

此外，在年龄相关性黄斑变性小鼠模型中，DICER1水平的降低和Alu RNA的积累触发线粒体DNA释放到胞质溶胶中，从而参与cGAS并驱动非典型炎症小体激活。

炎症被明确认为是器官衰老的一个主要标志，减少炎症对于延长寿命的干预措施的有效性至关重要。然而，到目前为止，如何通过表观遗传学操作来调节炎症仍然未知。研究如何通过延长寿命的干预措施稳定衰老细胞中的异染色质来减少胞质DNA的负担，可能会为抑制慢性炎症和对抗衰老开辟一条新的途径。

这篇综述中讨论的再生策略可以促进表观遗传学重编程，这表明表观遗传学程序可以在生命的后期通过实验转移到更年轻的状态。同时分析干细胞衰老和再生过程中的表观遗传学变化将有助于确定人类健康寿命和寿命的表观遗传决定因素。这些分析最终将有助于回答关键问题，如不同的治疗干预措施引发的趋同和独特的表观遗传学调节是什么，以及我们是否可以通过直接针对表观遗传学机制来模仿不同类型的衰老干预措施的效果。更重要的是，更深入地了解表观遗传机制将揭示基因表达调控与多种细胞生物学过程（例如，维持线粒体稳态，抑制逆转录转座因子和改善炎症）之间的关键联系，可用于促进细胞和生物体中的年轻状态。在经历了再生策略的成年干细胞、组织和生物体中，分析这些生物途径和表观遗传学参数之间的动态相互作用，将加深和拓宽我们对如何在副作用最小的情况下使我们的身体更年轻的理解（图7）。

图7 |表观遗传调控与衰老和年轻化有关。代谢操作、表观遗传学重编程、异时共生、药物管理和衰老细胞消融构成了五种可能的健康和延长生命的策略。这些干预措施诱导表观遗传学重编程以改变基因表达并将老化细胞重编程为更年轻的状态。干细胞再生是所有这些再生干预措施的共同特征。

此外，表观遗传学程序与重要的分子途径相互作用，如与维持线粒体稳态、抑制逆转录转座子元件和改善炎症以对抗衰老有关的途径。连接线表示干预和效果之间的关系。干预措施之间的界线（左侧）表明，一些延长生命的化学物质模仿热量限制的效果来发挥其功能，而解氨药物可以消除衰老细胞。效应之间的线（右侧）意味着这些效应可能会相互影响。ncRNA非编码RNA；RE，重复元件。

为了实现这一目标，需要尖端的干细胞分离技术、多组分析（如转录组和表观基因组分析）、人工智能和综合方法。这些进步将允许对数据进行分析，并随后揭示不同细胞类型和组织衰老的复杂性。基于CRISPR的全基因组功能获得和功能丧失筛查可用于识别通过延长生命干预实现细胞/组织再生所不可或缺的功能基因组元素。总之，科学家们现在有了许多新的工具来阐明衰老和再生背景下表观遗传调控的机制。对这些干预策略背后的表观遗传学机制的进一步研究将为开发治疗策略开辟新的途径，以延缓与年龄相关的疾病的发作，改善健康并延长寿命。

来源：医学顾事