基因组测序时代定义了控制细胞功能的基因网络，合成生物学通过建立简单的正交网络来模拟自然系统的核心部分，从而发现许多生物学功能的工作原理。细胞衰老是一个基本而复杂的生物学过程，也是许多疾病的驱动因素【1】。酿酒酵母是一个遗传学上易于控制的有丝分裂衰老细胞模型，因此可以用于对影响寿命的基因以及衰老过程进行研究。为此，美国加州大学圣地亚哥分校Nan Hao研究组在Science发文题为Engineering longevity-design of a synthetic gene oscillator to slow cellular aging，通过建立调节基因振荡器建立延缓衰老的基因回路。

赖氨酸去乙酰化酶Sir2和血红素活化蛋白HAP复合物在进化上高度保守，能够控制酵母衰老并调节酵母寿命的转录调节因子。Sir2介导核糖体rDNA基因沉默，用于维持这一催脱基因组位点的稳定性以及核仁的稳定性【2】，而HAP调节用于血红素生物合成和线粒体功能的关键基因表达【3】。

为了对衰老过程中rDNA基因沉默进行追踪，作者们建立了一个rDNA位点的报告因子rDNA- GFP，该报告因子的表达能够反映rDNA的沉默状态，荧光强度越低则基因沉默程度越高。另外，为了对酵母细胞中血红素的丰度进行监测，作者们使用核锚定远红外荧光蛋白nuc-iRFP进行标记，该荧光依赖于胆绿素，与血红素的丰度相关。

进一步，作者们对Sir2以及HAP的报告因子活性进行探究，发现两者可以形成一个相互抑制的回路，从而驱动细胞寿命的决定。为了对该模型进行工程化调节，作者们设计了一个简单的可以延迟Sir与HAP之间负反馈环路。为了促使HAP对SIR2进行较强的转录调控，作者们将SIR2的启动子换成了细胞色素C1启动子CYC1，CYC1可以由HAP结合且激活。另外，作者们使用组成性强启动子TDH3驱动HAP4基因表达（图1）。

图1 Sir2-HAP振荡调控模型

作者们发现工程化的合成振荡器细胞（Synthetic oscillator）在衰老过程中表现出Sir2的振荡表达，振荡的幅度远远大于野生型细胞（WT）（图2）。在合成振荡细胞中，作者们发现单个细胞的振荡表现出异质性，65%的细胞在整个生命周期中表现出基因振荡，而35%的细胞则只在生命周期后期、细胞死亡之前出现Sir2的表达增加。作者们发现合成振荡器品系中82%表现出细胞寿命的增加，因此，维持Sir2基因表达振荡对于延长细胞寿命非常关键。合成振荡器品系中表现出细胞周期加快且单个细胞周期延长。

图2 合成振荡器细胞Sir2表达振荡明显且细胞寿命显著增加

为了检测合成振荡器品系中抑制衰老的机制是通过rDNA沉默缺失还是血红素删除，作者们同时对监测rDNA基因沉默以及血红素丰度的报告因子品系进行检测。作者们发现在野生型细胞中，随着衰老的进行，野生型细胞中rDNA报告因子GFP荧光轻度逐渐增加，基因沉默的缺失，且血红素的水平也呈现高丰度。相反，合成振荡器细胞中并不会随着细胞衰老出现rDNA基因沉默缺失以及血红素水平的异常变化。

总的来说，作者们通过建立合成振荡器酵母品系证明了Sir2-HAP调节环路存在平衡，一旦该平衡被破坏将会导致细胞寿命缩短。合成振荡器品系则通过驱动Sir2-HAP的调节环路，维持rDNA基因沉默以及血红素的适合水平，从而延迟衰老。这一工作证明了合成生物学在细胞衰老等过程中的成功应用。

原文链接：

http://doi.org/10.1126/science.add7631

参考文献

1. A. V. Belikov, Ageing Res. Rev. 49, 11–26 (2019).

2. M. R. Gartenberg, J. S. Smith, Genetics 203, 1563–1599(2016).

3. S. Buschlen et al., Comp. Funct. Genomics 4, 37–46 (2003).