癌症和衰老伴随着表观遗传格局的典型变化，包括基因缺乏的基因组区域的DNA甲基化进行性丢失。经历多次分裂的细胞会出现全基因组低甲基化，原因可能是维持不完善。有证据表明，全基因组低甲基化代表了一个“有丝分裂时钟”，它计数体细胞的分裂，并发挥抑制衰老细胞和限制恶性进展的功能。调节甲基化丢失速度或消除低甲基化细胞的疗法可减轻与衰老相关的疾病或癌症。

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多项证据表明，低甲基化代表了一般的有丝分裂钟。在肿瘤中，低甲基化影响的是贫CpG、贫基因和晚期复制的兆碱基大小的间期。来自老年人的组织也表现出与癌症中相同区域的广泛低甲基化，但程度较小。与主要由有丝分裂后细胞构成的脑组织和其他隔室相比，低甲基化在增殖的上皮组织中更为明显。此外，原代细胞在培养中随着传代次数的增加逐渐变得低甲基化，但当它们退出细胞周期时，甲基化稳定。在癌细胞中，低甲基化程度与体细胞突变负荷相关，体细胞突变负荷已被确定具有有丝分裂的时钟样特性，因为突变数量随着细胞分裂的积累而增加。

与细胞分裂相关的DNA甲基化丢失可能是表观遗传维持效率低下的结果(见图)。甲基化在DNA复制过程中通过DNA甲基转移酶(DNMTs)来复制。然而，在S期晚期复制的CpG缺乏区域，尤其是在快速分裂的细胞中，维持细胞周期的效率较低。一项对正在复制的胚胎干细胞和HeLa细胞进行的研究表明，尽管甲基化被复制到子代DNA链，但在晚期复制区域中，甲基化被延迟并容易出错。因此，整体低甲基化是衰老和恶性细胞的共同特征，其根源在于维持效率低下和随着体细胞分裂的积累甲基化逐渐丧失。

有丝分裂期低甲基化生物钟不同于根据组织中的甲基化来预测生理年龄的生物钟。这些生物衰老时钟因其在预测发病率和死亡率方面的准确性和潜力而备受关注。机器学习算法识别和整合甲基化状态与年龄相关的CpG集。虽然已经为一系列组织和生物体开发了衰老时钟，但针对相同组织类型的不同算法包含了不同的CpG。这种不一致性阻碍了对甲基化变化的解释。

有机体衰老时钟可能包含多种输入，包括细胞类型组成、环境影响、有丝分裂时钟特征和随着时间推移出现的其他干扰。有丝分裂时钟的输入可能包括特定CpG岛的全局低甲基化和局灶性高甲基化，这些也可以在细胞分裂时累积。全局低甲基化和局灶性高甲基化均与实足年龄存在松散关联。有丝分裂时钟和衰老时钟之间的关系也得到了以下观察结果的支持:增加端粒长度的端粒酶反转录酶(TERT)变异体与表观遗传年龄预测增加相关。基于对人外周血单个核细胞DNA甲基化的测量。由于这些变异允许细胞在端粒危象(端粒变得太短，细胞停滞)之前经历更多的分裂，一个可能的解释是更多的分裂会增加有丝分裂时的甲基化变化，从而加速衰老的时钟。

有丝分裂和衰老相关的甲基化变化之间的关系受到细胞类型异质性的干扰。有丝分裂期低甲基化的速度因细胞类型而异，胚胎干细胞代表了一个极端，因为它们保持稳定的甲基化。表观遗传年龄在组织中的单个细胞之间也有差异，在某些祖细胞群体中缓慢进行。虽然有丝分裂时钟和衰老时钟之间的确切关系仍不清楚，但DNA低甲基化时钟的细胞内在特性和机制基础为人类生物学和衰老的研究提供了一个补充框架。

低甲基化的影响是什么?它在癌症中的突出作用促使人们广泛探索其潜在致癌功能，但数十年的研究未能阐明这些作用。肿瘤细胞中的低甲基化可能代表经历过多次分裂的瘢痕，而不是恶性肿瘤的驱动特征。人们认识到低甲基化是累积分裂的结果，这提示低甲基化可能会修剪衰老细胞，保护它们免受恶性进展的影响，并影响衰老组织的稳态。

大量证据支持低甲基化的几种限制性功能。DNA甲基化在转座元件(TEs)的转录沉默中起着重要作用，例如内源性逆转录病毒(ERVs)和长散在核元件(LINEs)，这些元件在哺乳动物基因组中以高拷贝数插入。TEs在多种肿瘤中表达明显上调，尤其是在低甲基化区域。DNMT抑制剂5-氮杂胞苷(5-azacytidine)在体外和体内诱导LINE和ERV表达，支持甲基化缺失的因果作用。

TE再激活通过病毒模拟触发固有免疫。去抑制元件产生双链RNA，细胞溶质感受器感知双链RNA，并触发ⅰ型干扰素(IFN)应答。DNMT抑制剂激活癌细胞中的TEs，增加免疫浸润，并使肿瘤对免疫治疗增敏。LINE的再激活也在衰老细胞中被证实，在那里它触发IFN反应并可能促进炎症，一种与衰老相关疾病相关的慢性炎症状态。

全基因组低甲基化也会改变染色质拓扑结构，从而影响肿瘤和衰老细胞的表型。在健康细胞中，晚期复制的基因组区域定位于细胞核外周和膜层，但在低甲基化的肿瘤细胞中，它们会迁移到内部，并获得抑制性组蛋白修饰。这些结构变化伴随着可能影响肿瘤和衰老表型的转录变化。与TEs相比，在重组区域中大多数蛋白质编码基因的表达下调与DNA甲基化缺失和染色质改变有关。这些被解除调控的基因富集于与干细胞增殖、上皮-间充质转化和侵袭相关的功能。它们的抑制可能抑制衰老细胞的增殖和侵袭能力，并阻碍恶性进展。

更多的证据表明，整体低甲基化和衰老之间存在联系，衰老是一种限制受损细胞增殖的保守程序。衰老细胞表现出整体低甲基化和深刻的染色质结构变化，包括衰老相关异染色质灶(SAHFs)的形成。SAHFs的主要特征，包括其空间再分布和与抑制性组蛋白修饰的关联，使人联想到低甲基化老化和恶性细胞中的染色质重组。这些相似之处提出了以下可能性:低甲基化和相关的染色质变化也促进衰老。

DNA甲基化对细胞核和基因组的完整性也至关重要。全基因组低甲基化可能通过促进染色体不稳定性而促进肿瘤的发生和进化。与此同时，DNMT抑制或单倍剂量不足导致的低甲基化相关的p53依赖的DNA损伤反应可能导致细胞周期停滞或凋亡。衰老细胞还含有丰富的DNA损伤标志物的细胞质染色质片段和能够激活干扰素基因炎症刺激因子(STING)通路的异染色质。因此，尽管低甲基化可能促进肿瘤的进化，但其净影响更有可能抑制衰老细胞的增殖能力和可塑性，并促进其免疫清除。除了阻止恶性进展之外，这些后遗症对组织稳态的影响还可能导致其他适应性或有害的衰老表型。

由于全基因组低甲基化会对细胞增殖和恶性进展造成障碍，因此肿瘤细胞必须采取策略来克服这些障碍。某些肿瘤发生于不受低甲基化影响的干细胞，而其他肿瘤获得的高甲基化表型可能减缓或逆转有丝分裂期的低甲基化。TE和下游感知通路的激活可能被染色质调节因子或免疫因子减弱，而这些因素在癌症中经常发生改变。癌细胞也可能受益于某些TE的去抑制作用，例如激活结直肠肿瘤中癌基因的ERVs。这些竞争力量暗示了生物体进化和肿瘤进化之间的斗争，前者产生了低甲基化时钟的肿瘤抑制特征，而后者使恶性细胞能够克服或利用这些特征。

虽然低甲基化在哺乳动物中是保守的，但其速度在不同的生物体和细胞类型中不同。加速的全基因组低甲基化被提出来解释盲态鼹鼠(一个以长寿和抗癌著称的物种)中肿瘤的罕见。因此，尽管低甲基化可能反映了哺乳动物基因组的一种固有特征，但它可能是跨物种和组织的“可调”的。这让人想起酿酒酵母中基于异染色质的有丝分裂时钟，它们的调节会改变寿命。体细胞突变率也有相似之处，体细胞突变率随着哺乳动物的寿命而变化。此外，低甲基化启动下游表达变化和表型的程度可能代表有丝分裂时钟的另一个可调成分。即使低甲基化是维持不完善的哺乳动物基因组的内在特征，其速度以及染色质和转录机制介导的下游整合也可能已经进化到平衡癌症耐药和衰老表型。

应该认识到，这种有丝分裂期低甲基化模型及其对细胞表型的影响仍然处于初期，并且在很大程度上是推断性的。我们根据肿瘤、异质组织和培养的细胞系的特征确定了低甲基化状况，但甲基化丧失的模式和速度将因细胞系、发育阶段和环境而异。我们需要新的工具来解析异质性组织中的单细胞甲基化模式，并实时追踪甲基化丢失。此外，下游功能的结果很大程度上是由染色质状态和TE表达的相关性推断的。它们得到遗传学和DNMT抑制剂效应的支持，但这些并不能完全重现衰老和恶性细胞中的低甲基化。其他关键问题涉及肿瘤中普遍存在的低甲基化，以及癌细胞如何克服相关障碍。

对低甲基化时钟的更详细了解可能揭示预测疾病风险或对肿瘤进行分层的生物标志物。它可能产生新的治疗模式，通过利用与低甲基化相关的脆弱性来修剪衰老或癌前细胞。或者，减缓或逆转细胞内在DNA低甲基化的疗法可能减轻炎症或其他与衰老相关的缺陷。干预措施需要达到平衡，以改善衰老组织的稳态，同时不增加癌症风险。