东晋著作《云笈七签》有云：“日服千咽，不足为多，返老为童，渐从此矣！”“返老还童”，这个具有神奇色彩的成语，几千年来，古今中外的许多君主帝王都为之痴迷，现代人也在不断地追求永葆青春，控制衰老。
2019年，加州的科学家进行了一项小型研究，给数名老年男性服用生长激素和糖尿病药物，一年后发现，这些药物能使男性的胸腺和免疫功能恢复活力，还使生理年龄缩短了2.5岁[1,2]。这个结果不禁让人联想，如果找到合适的方法，使得衰老可以逆转，“返老还童”岂不是可以成真！
随着越来越多的科学家寻求延缓、停止或倒退衰老的方法，再此同时衍生出来一系列问题，需要用什么指标来衡量衰老程度？能否通过这个指标为核心掌控衰老程度，以求重返年轻？
近期发表于顶级科研期刊《nature》上的这篇文章[2]，介绍了如今被广泛用于量化生物衰老的表观遗传时钟，分析了其可能性、可行性，种种证据指出有望以表观遗传时钟为核心控制生物老化速度。
什么是表观遗传时钟？
或许屏幕前的你对“遗传”这个词耳熟能详，但“表观遗传”却与“遗传”不尽相同。
“遗传学”是研究基于基因序列改变所致基因表达水平变化，例如基因突变、基因杂合丢失等；“表观遗传学”研究基于非基因序列改变所致基因表达水平的变化，例如DNA甲基化、基因组印记等。
以DNA甲基化为例，在DNA甲基化转移酶的作用下，基因组磷酸基（CpG）二核苷酸的胞嘧啶5号碳位共价键结合一个甲基基团，甲基化后，CpGs可以作为蛋白质的结合位点，改变DNA的3D结构，会显著降低基因表达，影响生物功能[2,13]，可谓是基因上一种重要的“开关”。
多年来，不断有研究探索这类“开关”的“开”和“关”到底掌握着什么。
2013年，美国UCLA的遗传学家Steve Horvath基于近万个人类健康组织样本的82个DNA甲基化阵列数据集，找到了DNA甲基化的一种普遍规律，发现它和寿命之间存在密切的联系，并开发了一种通过测量分析DNA甲基化年龄从而预测寿命的表观遗传时钟（epigenetic clock）[3]。
Horvath敏锐地发现，这个新颖的表观遗传时钟在将来也许可用于解决发育生物学、癌症和衰老研究中的一系列问题[3，4]。
于是2016年，Horvath再次领导一支由65名科学家组成的研究团队，开发了“升级版”预测寿命的DNA甲基化表观遗传时钟，再次证明了表观遗传时钟与年龄的密切联系[4]。这代时钟分析了超过万人血液DNA样本，纪录了人类DNA与衰老相关的变化，追踪DNA甲基化的改变，计算血液和其他组织的衰老，测量每个人的衰老速率，计算生物学年龄，预测寿命[4]。
图注：全因死亡率的单因素Cox回归元分析，
(A)年龄加速的通用测量(AgeAccel)，
(B)内在表观遗传年龄加速(IEAA)，
(C)外在表观遗传年龄加速(EEAA)
如今，表观遗传时钟作为量化生物衰老的一类重要指标在抗衰老领域被广泛应用，用以调查与衰老有关的影响因素，研究生物、社会和环境因素对表观遗传时钟的影响，如体重指数不合格、艾滋病、心血管疾病、癌症和糖尿病等因素会加速表观遗传时钟[5]。
以应用于临床为目标的
表观遗传时钟“珍奇斗艳”
随着相关研究愈发广泛与深入，越来越多的表观遗传时钟被开发出来。为了在临床上有可视化的标准，一些预测健康与寿命的生物标记物尤为重要[2]，比如经典的DNA甲基化衰老生物标志物遗传位点[6]。
如前文所示，早期第一代时钟追溯应用预先存在的数据集时预测效果确实很好，但有研究指出了其内在局限性：随着时间年龄预测的增加，表观遗传时钟与死亡率之间的关系会逐渐减弱[7]。
图注：提高年龄预测的准确性将减少混杂因素的影响，从而减弱表观遗传时钟分数与死亡率之间的关联[7]
耶鲁大学研究衰老和表观遗传学的Morgan Levine认为[2]：“表观遗传时钟应具有生物逻辑意义”[2]。
图注：Morgan Levine
2018年，当时在Horvath实验室做博士后的Levine帮助开发了第二代表观遗传时钟“DNAm PhenoAge”，使用复合临床措施来捕捉实际寿命和表型寿命的差异，以识别新的CpG和更适合且强大的衰老表观遗传生物标志物，实验结果发现：一方面，相较第一代，第二代时钟的应用更加广泛，除了评估衰老程度、预测年龄之外，还可以用于分析癌症、阿尔茨海默氏症（如下图所示）方面等疾病；另一方面，研究从侧面再次印证了表观遗传时钟与一些衰老机制的内在联系，比如促炎症和干扰素通路的激活、转录及翻译机制的激活、DNA损伤反应和线粒体特征的减少均与表观遗传时钟的加速密切相关[8]。
图注：在背外侧前额叶皮质测得的DNAm表型与阿尔茨海默病及相关神经病理学有关[8]
Horvath后来开发了“GrimAge”，其通过多基因评分、表型标记方法等，预测遗传结构、生活方式等因素对死亡率的影响[2，7]。
还有研究团队开发了一种肌肉特异性表观遗传时钟，因为他们认为导致组织中DNA甲基化和实际年龄之间产生强烈偏差的原因是原始泛组织表观遗传时钟的构造不包括骨骼肌样本[9]，该肌肉时钟通过使用200个细胞氨酸-磷酸-鸟嘌呤二核苷酸来估计骨骼肌的年龄，从而预测年龄，并评估运动和饮食等环境因素对肌肉特异性生物衰老过程的影响[9]。
图注：骨骼肌时钟显着优于泛组织时钟对预测和实际年龄之间的相关性[9]
这时我们不禁会想，既然可以通过表观遗传时钟评估生理年龄、预测寿命，那么如果一个人的表观遗传时钟年龄下降，这是否明确表明他们在生物角度上正在变年轻？
表观遗传时钟分数下降，
是否意味着正在变年轻？
目前，想要结论性地回答这个问题，有两种思路。
其一，需要对受试者进行长期跟踪研究，表观遗传年龄较低的人应该比表观遗传年龄未受影响的人活得更长，更不容易患与年龄有关的疾病，但是这种方法需要几十年的时间，所耗费的时间成本过大 [2]。由于目前还没有公认的人类抗衰老干预措施，因此要检验一种行之有效的治疗方法是否真的能降低生物钟得分几乎是不可能的[2]。
其二，则是观察延长其他动物寿命的干预措施，如有研究表明热量限制似乎确实能降低小鼠的表观遗传年龄[2]。
与此同时，有研究指出还应注意：是否所有延长寿命或改善晚年功能的治疗都降低了表观遗传年龄，以及是否所有降低表观遗传年龄的干预都增加了寿命[2]。
是否有可能通过表观遗传时钟为核心，
实现时间倒流、重返年轻？
首先，要探索到底是什么驱动了表观遗传变化？表观遗传时钟分数到底反映了什么？
Horvath基于DNA甲基化在整个生命过程中的变化速度是不同的（其在发育过程中变化速度较快，在性成熟后就明显放缓）这一证据，认为表观遗传时钟分数反映了哺乳动物进化上保守的调节过程的进展 [2]。
衰老是一个导致组织功能障碍和死亡的退行性过程，随着表观遗传噪声的积累，扰乱了基因表达模式，导致组织功能和再生能力下降(如下图所示)[10]。辛克莱通过基因工程改造老鼠，使其DNA损伤，发现进行修复后可以改变动物的表观基因组，但不会引起序列突变，且随着做的周期越多，积累的表观遗传噪音就越多，最终导致细胞信息的丧失，伴随而来的即是衰老[2]。
图注：衰老和损伤过程中表观遗传信息的丢失（包括DNA甲基化的全基因组变化、DNAm时钟的加速和年轻基因表达模式的破坏）会导致组织功能和再生能力的下降[10]
那么此时我们心中不禁产生疑惑：将甲基组重置为更年轻的状态是否就足以使身体恢复活力？
2020年，辛克莱带领研究团队通过引入某些转录因子的基因，重新编程细胞，成功使青光眼老鼠视网膜衰老和受伤的神经元恢复活力，研究认为细胞在没有去分化的情况下变得明显年轻，这与表观遗传时钟信号可能有联系[2]，因为成熟的视网膜神经元与年轻的神经元不同，如果神经纤维被切断或疾病损坏，它们的轴突就不能再生，研究中小鼠模型，神经元损伤后，其表观遗传时钟过早老化，重新编程后，它们恢复了轴突萌发的能力，逆转了与年龄相关的基因表达变化，并使表观遗传时钟恢复正常[10]。目前辛克莱正利用培养细胞的表观遗传时钟年龄来筛选潜在的抗衰老治疗方法，期望找到一种可能深刻影响人类健康的干预措施[2]。
时光派点评
表观遗传时钟使用表观基因组的可预测变化，通常是DNA甲基化，通过表观遗传年龄估计实际寿命[12]，随着表观遗传时钟相关的各项研究不断深入，不难看出其正在成为研究整个生命周期的健康、发育和衰老的强大工具，相信其还具有更多的可能性与无尽的潜力等待发现！
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参考文献
[1]Fahy, G. M., Brooke, R. T., Watson, J. P., Good, Z., Vasanawala, S. S., Maecker, H., Leipold, M. D., Lin, D., Kobor, M. S., & Horvath, S. (2019). Reversal of epigenetic aging and immunosenescent trends in humans. Aging cell, 18(6), e13028. https://doi.org/10.1111/acel.13028
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[12]Ryan C. P. (2021). 'Epigenetic clocks': Theory and applications in human biology. American journal of human biology : the official journal of the Human Biology Council, 33(3), e23488. https://doi.org/10.1002/ajhb.23488
[13]Moore, L. D., Le, T., & Fan, G. (2013). DNA methylation and its basic function. Neuropsychopharmacology : official publication of the American College of Neuropsychopharmacology, 38(1), 23–38. https://doi.org/10.1038/npp.2012.112
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