德國(guó)少年Steve Horvath和他的雙胞胎兄弟Markus、好朋友Jorg Zimmermann發(fā)起了一個(gè)“吉爾伽美什計(jì)劃”，旨在為3人定期討論數(shù)學(xué)、物理學(xué)、哲學(xué)提供一個(gè)平臺(tái)。Horvath表示，《吉爾伽美什》是古代蘇美爾人的一部史詩(shī)，描述了烏魯克城的統(tǒng)治者尋找一種能永駐青春的植物的故事。巧合的是，“我們3人經(jīng)常討論的話題就是科學(xué)如何延長(zhǎng)壽命”。
1989年，在他們zui后一次討論時(shí)，3人達(dá)成了這樣的共識(shí)：今后的職業(yè)生涯要專注于研究如何用科學(xué)延長(zhǎng)人類壽命。Jorg著眼于計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能領(lǐng)域；Markus專注于生物化學(xué)和遺傳學(xué)領(lǐng)域；Steve表示，他計(jì)劃用數(shù)學(xué)模型和基因網(wǎng)絡(luò)研究如何延長(zhǎng)壽命。Jorg如愿以償?shù)貙?shí)現(xiàn)了“人工智能夢(mèng)”——成為德國(guó)波恩大學(xué)的計(jì)算機(jī)研究人員，Markus則成為了一名精神科醫(yī)生。
Steve目前是美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的人類遺傳學(xué)家兼生物統(tǒng)計(jì)學(xué)家，他說(shuō)：“我已經(jīng)準(zhǔn)備好兌現(xiàn)承諾。”在數(shù)年的艱辛研究過(guò)程中，他被編輯和評(píng)審員多次拒絕?，F(xiàn)在，他已經(jīng)收集并分析了13000多個(gè)人類組織樣本數(shù)據(jù)。他發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞生物鐘的運(yùn)轉(zhuǎn)速率和身體其他部位一樣。Steve研究的性讓其他研究人員印象深刻。但是，細(xì)胞生物鐘一些“有趣的例外”可能為研究人類衰老提供了線索。
Horvath從表觀遺傳學(xué)角度研究細(xì)胞生物鐘。表觀遺傳學(xué)是指在基因組序列不變的情況下，可以決定基因表達(dá)與否、并可穩(wěn)定遺傳下去的調(diào)控密碼。隨著細(xì)胞的老化，表觀改變的模式也會(huì)發(fā)生變化。為了弄清如何判斷一個(gè)人的年齡，Horvath研究了數(shù)百例細(xì)胞樣本中DNA的位置，并分析這些位置發(fā)生甲基化的頻率。
Horvath發(fā)現(xiàn)了一種基于DNA甲基化狀態(tài)的算法，這種算法能非常準(zhǔn)確地估計(jì)年齡——不是根據(jù)細(xì)胞本身，而是根據(jù)細(xì)胞生長(zhǎng)環(huán)境。例如，白血球的存活周期可能只有幾天或數(shù)周，但它卻攜帶著一位50多歲捐贈(zèng)者的生命特征，誤差僅在數(shù)年之間。除了白血球之外，從大腦、結(jié)腸以及許多其他器官提取的DNA也一樣含有人體的生命特征。以往的推算方法單純依靠年齡的生物標(biāo)記，而這種標(biāo)記只存在于1到2種組織中。新方法打破了原有的束縛，包括追溯年齡的黃金法則——天冬氨酸外消旋化技術(shù)，該技術(shù)只能依靠測(cè)量牙齒或者骨頭內(nèi)的蛋白質(zhì)判別年齡。
Horvath說(shuō)：“我希望找到一種適用于大多數(shù)組織的方法。這是一個(gè)非常冒險(xiǎn)的嘗試。”現(xiàn)在，這場(chǎng)“賭博”似乎有了回報(bào)。去年他的文章發(fā)表。時(shí)鐘算法的中間誤差在3.6年之間，這意味著依靠該方法，研究者能夠從寬泛選擇的組織中推斷出捐贈(zèng)者的實(shí)際年齡，誤差控制在43個(gè)月之間。若給出特定的組織，準(zhǔn)確性會(huì)更高，例如：?jiǎn)为?dú)給出唾液樣本，誤差縮小到2.7年之間；給出特定白血球，誤差在1.9年之間；若給出大腦皮層組織，則誤差僅在1.5年之間。時(shí)鐘算法的實(shí)際測(cè)量結(jié)果顯示，當(dāng)給出從胚胎中提取的干細(xì)胞時(shí)，結(jié)果鑒定為極度年輕；當(dāng)給出從百歲老人大腦提出的樣本時(shí)則顯示大約為100歲左右。
加州大學(xué)舊金山分校的Elizabeth Blackburn說(shuō)：“這些緊密的相關(guān)性表明細(xì)胞中存在著一些看似不變的模式。”因染色體終端的研究，Blackburn曾獲得諾貝爾獎(jiǎng)。“這可能是生物界尚未發(fā)現(xiàn)的一條線索。”
Horvath論文發(fā)表后的數(shù)月，其他研究人員也在不斷擴(kuò)充該研究。研究人員認(rèn)為該研究有廣泛應(yīng)用前景。澳大利亞昆士蘭大學(xué)數(shù)量遺傳學(xué)系主任Peter Visscher說(shuō)：“這是很新奇的東西。如果Horvath是對(duì)的，那么在衰老的過(guò)程中，真的存在類似表觀遺傳的時(shí)鐘在起作用。這個(gè)發(fā)現(xiàn)非常重要。”
艱難的研究
Horvath一直堅(jiān)持吉爾伽美什項(xiàng)目的研究，為此他補(bǔ)修了數(shù)學(xué)博士學(xué)位和生物統(tǒng)計(jì)學(xué)博士學(xué)位，并于2000年加入U(xiǎn)CLA遺傳學(xué)研究所。2006年，Horvath在獲得了終身教職后開(kāi)始專注于老化研究，為此他不斷研究基因活動(dòng)在整個(gè)生命過(guò)程中的變化。研究由一名博士生具體執(zhí)行，通過(guò)統(tǒng)計(jì)過(guò)濾器來(lái)完善基因轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)，以期能夠找到一個(gè)明顯的生物年齡標(biāo)記。但經(jīng)過(guò)1年多，Horvath和那名博士生仍沒(méi)有找到符合要求的目標(biāo)。他們總結(jié)道：如果真有生物年齡標(biāo)記存在于基因轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)中，那么它可能因?yàn)槿伺c人的不同、器官與器官的差異而被湮沒(méi)。盡管研究未取得進(jìn)展，Horvath仍決定繼續(xù)這種大膽而充滿想象力的研究項(xiàng)目，但卻不再邀請(qǐng)學(xué)生和博士后參與。Horvath說(shuō)：“為了一個(gè)不太可能完成的項(xiàng)目而斷送別人的前程，我認(rèn)為這是不公平的。”
2011年，研究有了起色。Horvath在UCLA的同事Eric Vilain領(lǐng)導(dǎo)了另一個(gè)研究小組。作為小組成員，Horvath從68名成年人的唾液樣本中提取DNA用于研究甲基化模式。Vilain小組原本在研究一種與性取向相關(guān)的表觀遺傳模式，但zui終一無(wú)所獲。Horvath和同事決定利用手中的數(shù)據(jù)檢測(cè)是否能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于老化研究中。
在人類的DNA中，甲基通常附著在CpG點(diǎn)上，后者是胞嘧啶處理*的地方。一段正常的人類基因組含有超過(guò)2800萬(wàn)個(gè)CpG點(diǎn)，但是用于探測(cè)甲基化樣本的微陣列技術(shù)只能發(fā)現(xiàn)極少的一部分：老式機(jī)器只能定位2.7萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，而新型機(jī)器也只能找到48.5萬(wàn)個(gè)點(diǎn)。
獲得成功
Horvath很幸運(yùn)，他在一個(gè)簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)模型中獲得了成功，該模型研究的內(nèi)容是：在一滴唾液中有多少細(xì)胞含有只在特定兩個(gè)CpG點(diǎn)發(fā)生甲基化的DNA。研究指數(shù)與實(shí)驗(yàn)參與者的年齡大致一致，相關(guān)性為0.85或者說(shuō)準(zhǔn)確度為85%，平均誤差在5年之間。
盡管是在繼續(xù)他人的研究，但Horvath在研究中確認(rèn)，甲基化模式與另外多種類型的細(xì)胞間的相關(guān)性更加密切，例如大腦和血液。突然，一個(gè)曾經(jīng)被Horvath排除的想法再次涌現(xiàn)出來(lái)：或許在人體的各個(gè)部分都可以找到生物年齡標(biāo)記。
但這是一個(gè)很艱難的研究，Horvath需要將包括年齡和DNA甲基化信息在內(nèi)的無(wú)數(shù)數(shù)據(jù)集全部綜合在一起。甲基化譜被應(yīng)用于許多醫(yī)學(xué)研究，通常是與老化不同的研究領(lǐng)域。且由于收集和處理方式的不同，數(shù)據(jù)很難進(jìn)行對(duì)比。Horvath擔(dān)憂：“如果這些數(shù)據(jù)是由不同的實(shí)驗(yàn)室以不同的方式收集的，那么如何才能使數(shù)據(jù)庫(kù)具有可比性？”
Horvath以英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的Andrew Teschendorff的工作為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種將甲基化譜規(guī)格化的方法，并把它們置于同樣的基礎(chǔ)上。除此之外，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的一些不確定因素，Horvath采取了直接忽視的態(tài)度——這是一個(gè)大膽的策略，他希望這不會(huì)影響到模型的準(zhǔn)確性。
準(zhǔn)確性確實(shí)沒(méi)有受到影響。在2012年早期，Horvath將新算法應(yīng)用到基因組的16 CpG 點(diǎn)中，并得出有9種組織與實(shí)際年齡的相關(guān)性為96%。新算法的準(zhǔn)確度非常驚人：血液樣本的中間誤差為3年，臉頰黏膜拭子的中間誤差僅為18個(gè)月。
遭遇否定
但是，兩份雜志的編輯否定了Horvath的論文。Horvath認(rèn)為，編輯否定論文的zui關(guān)鍵一點(diǎn)在于：它太美好了，所以不可能是真的。他們懷疑時(shí)鐘模型的設(shè)計(jì)或許與訓(xùn)練數(shù)據(jù)相符，但Horvath沒(méi)有足夠的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)充分證明這一點(diǎn)。
盡管被拒絕，但Horvath仍頑強(qiáng)地堅(jiān)持收集數(shù)據(jù)，并擴(kuò)充運(yùn)算法則。截至2012年12月，他的甲基化數(shù)據(jù)庫(kù)囊括了51種非癌癥(cancer)組織，外加20種癌癥(cancer)組織，年齡測(cè)量者已經(jīng)能覆蓋353個(gè)CpG點(diǎn)。
去年春天，審查結(jié)果返還到Horvath手里，里面充斥著更多懷疑。雖然再次被否定，Horvath卻并沒(méi)有指責(zé)審查人員的懷疑，他說(shuō)：“每一個(gè)研發(fā)生物標(biāo)記的研究人員都對(duì)此有充足的心理準(zhǔn)備，一組很強(qiáng)的生物標(biāo)記的相關(guān)性大約為0.6或0.7。”例如，年齡與染色體終端的相關(guān)性低于0.5，而根據(jù)Horvath的時(shí)鐘置換算法，該數(shù)據(jù)為0.96。Horvath坦承，就連自己也不能*相信這一研究結(jié)果，除非有其他獨(dú)立研究者也認(rèn)可這份研究。
這一次，Horvath不再默默地接受現(xiàn)實(shí)，他說(shuō)：“當(dāng)我讀完審查人員的評(píng)論后，我在接下來(lái)的10分鐘里做了3件事。首先，我從冰箱里拿出3瓶啤酒，然后喝光。之后，我回到電腦前寫(xiě)了一封給編輯的信。zui后，我把信通過(guò)發(fā)了過(guò)去。” 幾個(gè)月后，這項(xiàng)研究發(fā)表在《基因組生物學(xué)》（Genome Biology）雜志上。（來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 段歆涔）