遺伝子工学者が細胞の配線を変更して寿命を 82% 延ばす

酵母細胞を研究する研究者は、寿命を延ばすために生合成遺伝子の「時計」を構築します。

研究者は、細胞の寿命を大幅に延ばす合成遺伝子「時計」を作成しました。 老化を制御する遺伝子調節回路を再プログラミングすることにより、細胞は定期的に 2 つの有害な状態を切り替え、変性を遅らせます。 酵母細胞でテストされたこの革新的なアプローチは、寿命を 82% 延ばし、加齢遅延戦略に革命をもたらす可能性があります。

人間の寿命は、個々の細胞の老化に関係しています。 3 年前、カリフォルニア大学サンディエゴ校 (UCSD) の研究者グループが、老化プロセスの背後にある重要なメカニズムを解読しました。 研究者らは、細胞が老化中にたどる 2 つの異なる方向を特定した後、これらのプロセスを遺伝子操作して細胞の寿命を延ばしました。

2023 年 4 月 27 日、ジャーナルに記載されているとおり 化学、 彼らは現在、合成生物学を使用してこの研究を拡張し、加齢に伴う細胞の劣化が通常のレベルに達しないようにするソリューションを設計しました。 酵母、植物、動物、ヒトの細胞を含むすべての細胞には、老化を含む多くの生理学的機能を担う遺伝子調節回路が含まれています。

「これらの遺伝子回路は、電化製品や自動車などのデバイスを制御する家庭用電気回路のように動作することができます」と、この研究の主任著者であり、カリフォルニア大学サンディエゴ校の共同ディレクターである生物科学部分子生物学科のナン ハオ教授は述べています。合成生物学研究所。

しかし、カリフォルニア大学サンディエゴ校のグループは、中央の遺伝子調節回路の制御下では、細胞が必ずしも同じように老化するとは限らないことを明らかにしました。 エンジンの劣化またはトランスミッションの摩耗のいずれかによって老化する車を想像してみてください。ただし、両方が同時にではありません。 カリフォルニア大学サンディエゴ校のチームは、ある老化メカニズムから別のメカニズムへと劣化を循環させることで細胞の寿命を延ばす「スマート エイジング プロセス」を構想しました。

新しい研究では、研究者は細胞の老化を制御する回路を遺伝子的に再配線しました。 トグルスイッチのように機能する通常の役割から、彼らは老化プロセスを失速させる負のフィードバックループを設計しました. 再配線された回路は、遺伝子発振器と呼ばれる時計のようなデバイスとして動作し、細胞を駆動して2つの有害な「老化」状態を定期的に切り替え、どちらかへの長期の関与を回避し、それによって細胞の変性を遅らせます.

これらの進歩により、細胞の寿命が劇的に延長され、遺伝的および化学的介入による寿命延長の新記録が打ち立てられました。

電気エンジニアがよく行うように、この研究の研究者は最初に、コアの老化回路がどのように動作するかのコンピューター シミュレーションを使用しました。 これは、セル内の回路を構築または変更する前に、アイデアを設計およびテストするのに役立ちました。 このアプローチには、より伝統的な遺伝的戦略と比較して、効果的な長寿戦略を特定するための時間とリソースを節約できるという利点があります。

「コンピュータに導かれた合成生物学と工学の原則を使用して、遺伝子回路を合理的に再設計し、老化プロセスを再プログラムして寿命を効果的に促進したのはこれが初めてです」と Hao 氏は述べています。

数年前、カリフォルニア大学サンディエゴ校の学際的な研究チームは、細胞老化の背後にあるメカニズムの研究を開始しました。これは、人間の寿命と多くの病気の根底にある複雑な生物学的プロセスです。 彼らは、細胞が最終的に変性して死ぬまで、その寿命全体を通して分子変化のカスケードに従うことを発見しました。 しかし、彼らは、同じ遺伝物質を持ち、同じ環境内にある細胞は、異なる老化経路をたどることができることに気付きました。 安定性が徐々に低下することにより、細胞の約半分が老化します。[{” attribute=””>DNA, where genetic information is stored. The other half ages along a path tied to the decline of mitochondria, the energy production units of cells.

The new synthetic biology achievement has the potential to reconfigure scientific approaches to age delay. Distinct from numerous chemical and genetic attempts to force cells into artificial states of “youth,” the new research provides evidence that slowing the ticks of the aging clock is possible by actively preventing cells from committing to a pre-destined path of decline and death, and the clock-like gene oscillators could be a universal system to achieve that.

“Our results establish a connection between gene network architecture and cellular longevity that could lead to rationally-designed gene circuits that slow aging,” the researchers note in their study.

During their research, the team studied Saccharomyces cerevisiae yeast cells as a model for the aging of human cells. They developed and employed microfluidics and time-lapse microscopy to track the aging processes across the cell’s lifespan.

In the current study, yeast cells that were synthetically rewired and aged under the direction of the synthetic oscillator device resulted in an 82% increase in lifespan compared with control cells that aged under normal circumstances. The results revealed “the most pronounced lifespan extension in yeast that we have observed with genetic perturbations,” they noted.

“Our oscillator cells live longer than any of the longest-lived strains previously identified by unbiased genetic screens,” said Hao.

“Our work represents a proof-of-concept example, demonstrating the successful application of synthetic biology to reprogram the cellular aging process,” the authors wrote, “and may lay the foundation for designing synthetic gene circuits to effectively promote longevity in more complex organisms.”

The team is currently expanding its research to the aging of diverse human cell types, including stem cells and neurons.

Reference: “Engineering longevity—design of a synthetic gene oscillator to slow cellular aging” by Zhen Zhou, Yuting Liu, Yushen Feng, Stephen Klepin, Lev S. Tsimring, Lorraine Pillus, Jeff Hasty and Nan Hao, 27 April 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.add7631

The research team, Zhen Zhou, Yuting Liu, Yushen Feng, Stephen Klepin, Lev Tsimring, Lorraine Pillus, Jeff Hasty and Nan Hao, are based across UC San Diego, including the Department of Molecular Biology (School of Biological Sciences), Synthetic Biology Institute, Moores Cancer Center (UC San Diego Health) and Shu Chien-Gene Lay Department of Bioengineering (Jacobs School of Engineering).