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人体内最长寿的细胞是什么?答案是脑神经细胞。
就在几年前,科学界普遍认为成年人的大脑不具备细胞更新能力。后续研究虽然推翻了这一观点,但新生成的脑细胞数量极其有限。绝大部分脑细胞自“成年”后便不再更新,而是会一直工作下去,直到“主人”去世为止。
脑细胞的长寿与大脑的独特功能有关,因为一个人的生活记忆是通过相互连接的脑神经网络来储存的。一旦连接断开,记忆随即消失。如果脑细胞经常更新,那这个人也许可以活很久,但他的自我意识将随着神经连接的中断而被彻底抹去,逐渐变成另一个人。恐怕没人想要这样的长寿吧?
但是, 细胞寿命太长也有问题, 会导致D N A 复制差错很难被纠正。众所周知, D N A 是最重要的遗传物质,DNA序列决定了细胞到底会长成什么样。DNA在复制时很容易出错,这就是基因突变的主要来源。此时最好的解决办法,就是让带有这个突变的细胞死掉,再生成一个新的细胞填补空缺。事实上, 人体绝大部分组织都是通过细胞更新的方式来维持健康的。比如,皮肤细胞每星期都要全部更新一次,组成人体消化道的细胞每个月也会全部更换一遍,以此来避免基因突变造成的坏影响。癌细胞之所以有害,就是因为癌细胞只顾自己长寿,拒绝被替换,最终的结果就是“主人”被杀死了。
一个人在发育期间, 其大脑神经干细胞会疯狂分裂,最终形成大约800亿个脑细胞。这些脑神经细胞一旦成熟就不再更新,细胞分裂期间出现的DNA复制差错也都被固定下来,不再有修改的机会。其结果就是同一个人的不同脑细胞内含有的基因各不相同,科学家称之为“体细胞突变嵌合”(Somatic Mosaicism)现象。
这个现象可以很好地解释为什么神经系统疾病的遗传机理很难研究,因为很多神经性疾病的致病基因只存在于少数脑细胞中,研究起来太困难了。比如自闭症、抑郁症和阿尔茨海默病这些常见的神经系统疾病,已经发现过大量致病基因,但哪怕是最常见的致病基因,也只占发病总数的百分之几而已,因为这些致病基因很可能是在脑组织发育期间突变出来的,在人体其他细胞中找不到,研究难度太大。
即使在神经发育期间没有出现坏的基因突变,脑神经细胞寿命过长也是有问题的,那就是无法保证DNA完好无损。要知道,每个DNA分子都是长链大分子,中间经常会发生断裂,需要不断地进行修补。一旦断裂的次数太多,修补能力又跟不上,细胞功能就会受到影响。
那么, 因故无法随时更新的脑细胞是用什么办法来修补DNA损伤的呢?这就是美国索尔克研究所(SalkI n s t i t u t e ) 所长拉斯提· 佳格(Rusty Gage)博士正在研究的课题。
通常情况下,研究DNA损伤的科学家都会把注意力集中在损伤本身。他们会找出损伤的位置, 再去分析这些损伤到底产生了哪些影响。佳格博士另辟蹊徑,决定研究一下DNA的修复过程。在他看来, 损伤就是因为修复不及时造成的, 如果搞清了D N A 修复的细节, 就能从另一个侧面知道DNA损伤意味着什么。
研究人员先用诱导因子将人类胚胎干细胞转化为神经细胞, 然后在细胞培养液中加入一种经过特殊标记的人造核苷。核苷是核苷酸的前体, 可以将其看成是DNA损伤修复过程中用于替换的零配件。经过一段时间的细胞培养之后,研究人员将神经细胞中的DNA提取出来进行分析,看看那些加了标记的人造核苷究竟是如何分布的,这样就可以知道DNA修复发生在什么位置。
分析结果让人大吃一惊。这些标记物并不是均匀分布的,而是集中在大约6.5万个热点位置,合起来只占人类基因组的2%。这个结果说明DNA修复机制并不是一视同仁的,而是把精力都集中在了一些重要的基因位点上。
进一步的分析表明,这些基因位点所代表的,有很多都是与编码和神经退行性疾病有关的蛋白质。因此阿尔茨海默病和帕金森氏症等老年人常见疾病,很可能就是脑神经细胞内的DNA修复功能变弱的结果。
更有意思的是,当研究人员在培养液中加入一些能够导致基因突变的化学试剂时,热点附近的DNA往往要比其他区域更加稳定,更不容易受突变试剂的影响。这就进一步说明这些热点是被重点保护的基因片段,其功能非常重要。
这其中的一批最稳定的热点和DNA甲基化(Methylation)有关。甲基是DNA分子上的一种修饰物,能够决定哪些基因应该被激活,哪些基因应该关闭。DNA甲基化模式是衡量细胞年龄的最重要的指标, 此前已有很多科学家证明,通过分析脑细胞DNA甲基化模式,就可以相当准确地判断一个人的脑组织已经衰老到了何种程度。
佳格博士将研究结果写成论文, 发表在2021年4月2日出版的《科学》(Science)杂志上。这篇论文引起了广泛关注,因为这个发现为制药厂提供了一个全新的思路。如果我们想办法激活神经细胞的DNA修复系统,也许就可以延缓神经退行性疾病的发展,甚至有可能延缓衰老。