DNMT1与自噬及衰老之间的反馈回路促进器官衰老和毛发变白

DNA甲基转移酶1（DNMT1）是哺乳动物基因组中唯一负责维持DNA甲基化的酶，衰老过程中伴随着DNA甲基化变化，这一过程由DNMTs调控。而DNMTs表达调控是一个受转录和转录后机制双重调控的复杂过程，理解这些调控机制对于揭示DNA甲基化的复杂动态及其在衰老和疾病中的意义至关重要。

2026年5月19日，美国梅奥诊所/中国医科大学附属第一医院Lu Li为第一作者，美国梅奥诊所Xiaogang Li（音译:李晓刚）教授为通讯作者，在自噬研究领域国际顶级期刊《Autophagy》发表题为“Feedback loops between DNMT1 and autophagy as well as senescence promotes organ aging and canities”的高水平科研成果。研究揭示了DNMT1蛋白与自噬（autophagy）及细胞衰老（senescence）之间的双向反馈回路在器官衰老和毛发变白（canities）中的作用。

标题：Feedback loops between DNMT1 and autophagy as well as senescence promotes organ aging and canities（DNMT1与自噬及衰老之间的反馈回路促进器官衰老和毛发变白）

发表时间：2026年5月19日

发表期刊：Autophagy

影响因子：IF18.6/Q1

技术平台：WGBS、RRBS等

作者单位：美国梅奥诊所、中国医科大学附属第一医院

DOI:10.1080/15548627.2026.2677185

研究发现，尽管衰老过程中Dnmt1 mRNA水平随年龄依赖性下降，但其蛋白水平在衰老器官（肾、心、肝、肺）中反而升高。升高的DNMT1蛋白通过自噬相关基因、衰老抑制基因以及黑色素合成与转运相关基因在衰老器官中的甲基化，导致自噬功能下降、衰老加剧以及响应电离辐射（IR）时毛囊中黑色素生成减少（毛发变白）。研究还发现DNMT1通过其CXXC结构域与自噬蛋白ATG7互作而被降解，形成负反馈回路；而衰老细胞通过正反馈回路进一步促进DNMT1积累。通过基因敲除DNMT1或使用去甲基化药物（如hydralazine/decitabine），可以有效逆转这些过程，预防辐射诱导的毛发变白。

研究提出并验证两个反馈回路

正反馈回路（DNMT1-衰老）：DNMT1升高→甲基化沉默抑衰老基因→加剧衰老→DNMT1进一步积累

负反馈回路（DNMT1-自噬）：DNMT1升高→甲基化沉默自噬基因→自噬下降→抑制DNMT1降解→DNMT1进一步积累

图形摘要：DNMT1 与自噬、衰老之间的反馈回路在促进器官衰老与毛发变白中的作用工作模型

图形描绘了自然生理状态与电离辐射（IR）诱导的早衰过程中由DNMT1介导的系列事件。在衰老组织（肾、心、肝和肺）中，DNMT1蛋白上调，而其mRNA并未上调。在衰老细胞与衰老器官中，上调的DNMT1蛋白负责对自噬相关基因（LC3B、ATG5、BECN1、ATG7、ATG13和ULK1）进行甲基化，从而导致自噬活性下降、衰老加剧，并在IR作用下出现白发。DNMT1通过其CXXC域与自噬蛋白ATG7互作，进而导致DNMT1降解。DNMT1还参与调控黑素细胞中黑色素合成与转运相关基因甲基化，其中包括经RRBS鉴定出的靶基因MITF与KIF1A。DNMT1同样甲基化抑衰老基因，如经RRBS分析鉴定出的Runx3、miR130a、miR148a。通过去甲基化药物hydralazine靶向DNA甲基化可增强自噬、减轻衰老，并保护由IR诱导的毛发变白。此外，用senolytics清除衰老细胞可降低DNMT1蛋白并增强自噬，从而支持DNMT1、自噬与衰老之间存在反馈回路。

研究方法

动物模型：自然衰老（20-26月龄）和年轻（2-4月龄）C57BL/6小鼠，以及Dnmt1敲除的转基因小鼠（dnmt1fl/fl:TM-Cre）。

细胞模型：诱导小鼠IMCD3细胞和HEK293T细胞的衰老细胞模型。

分子与蛋白实验：Western blot、qRT-PCR、co-IP、GST pull-down、ChIP-qPCR等。

表观遗传学分析：

WGBS：对年轻和衰老小鼠肾脏进行全基因组DNA甲基化测序，分析自噬相关基因的甲基化变化；

RRBS：对年轻和衰老小鼠血细胞进行简化DNA甲基化测序，鉴定与毛发变白相关的异常甲基化基因；

靶基因甲基化：验证特定基因启动子区域的甲基化状态。

药物干预：自噬抑制剂Lys05、自噬诱导剂雷帕霉素、衰老细胞清除药物（达沙替尼+槲皮素）、去甲基化药物（肼苯哒嗪、地西他滨）。

关键图形

（1）DNMT1蛋白在衰老器官中表达升高

图1.衰老过程中各器官中DNMT1蛋白水平升高

（A-F） Western blot分析与定量。收集年轻（n=3）与自然衰老（n=3）小鼠的肾、心、肝、肺、肠和脾等器官检测DNMT1表达水平。

（G-J） qRT-PCR分析。收集年轻（n=6）与衰老（n=6）小鼠的肾（G）、心（H）、肝（I）、肺（J）四组器官，检测Dnmt1 mRNA的表达水平。

（2）DNMT1在衰老细胞中表达升高

图2：衰老细胞中DNMT1蛋白水平升高

（A） D-gal诱导衰老小鼠IMCD3细胞中，以剂量依赖方式检测DNMT1及衰老标志物CDKN2A/p16、CDKN1A/p21的表达水平Western blot分析与定量。

（B） D-gal诱导IMCD3细胞中以剂量依赖方式检测Dnmt1 mRNA的表达水平qRT-PCR分析。

（C） D-gal诱导IMCD3细胞中，以时间依赖方式检测DNMT1的表达水平Western blot分析与定量。

（D） D-gal诱导IMCD3细胞中，以时间依赖方式检测Dnmt1 mRNA的表达水平qRT-PCR分析。

（E）  ETO诱导衰老小鼠IMCD3细胞中，Western blot以剂量依赖方式检测DNMT1及衰老标志物CDKN2A/p16、CDKN1A/p21的表达水平。

（F） ETO诱导IMCD3细胞中，qRT-PCR以剂量依赖方式检测Dnmt1 mRNA的表达水平。

（G） ETO诱导IMCD3细胞中，Western blot以时间依赖方式检测DNMT1的表达水平。

（H） ETO诱导IMCD3细胞中，qRT-PCR以时间依赖方式检测Dnmt1 mRNA的表达水平。

（I） 转染HRasV12的HEK293T细胞经4-OHT处理后，Western blot检测DNMT1及衰老标志物CDKN2A/p16、CDKN1A/p21的表达水平。

（J） 转染HRasV12的HEK293T细胞经4-OHT处理后，qRT-PCR检测DNMT1 mRNA的表达水平。

（3）DNMT1上调通过DNA甲基化导致衰老细胞和衰老肾脏中自噬组分下调

图3：上调的DNMT1导致衰老细胞和衰老器官中自噬相关蛋白的下调。 

（A） D-gal诱导的衰老小鼠IMCD3细胞中自噬相关蛋白（LC3B、ATG5、BECN1、ATG7、ATG13和ULK1）表达Western blot。 

（B） 年轻和衰老小鼠肾脏中自噬相关蛋白（LC3B、ATG5、BECN1、ATG7、ATG13和ULK1）表达Western blot。 

（C）衰老小鼠IMCD3细胞中DNMT1与自噬因子启动子（Lc3b、Atg5、Becn1、Atg7、Atg13和Ulk1）的互作ChIP-qPCR。 

（D）年轻和衰老小鼠肾脏中自噬因子启动子（Lc3b、Atg5、Becn1、Atg7、Atg13和Ulk1）的甲基化（M）和非甲基化（UM）状态分析。 

（E）每组3只小鼠肾脏中Lc3b、Atg5、Becn1、Atg7、Atg13和Ulk1启动子的M:UM比率。

（4）衰老过程与衰老器官中，DNMT1受自噬调控

图4：衰老过程中DNMT1受自噬调控。

（A-D） Western blot分析及定量检测经Lys05和安慰剂处理2周的年轻（n=6）小鼠器官（肾脏、心脏、肝脏和肺）中DNMT1及自噬标志物SQSTM1/p62和LC3B的表达。

（E-H）Western blot分析及定量检测经Rapa和安慰剂处理2个月的衰老（n=6）小鼠器官（肾脏、心脏、肝脏和肺）中DNMT1及自噬标志物SQSTM1/p62和LC3B的表达。

（5）DNMT1通过CXXC结构域与自噬蛋白ATG7互作

图5：DNMT1通过CXXC结构域与自噬蛋白ATG7互作

（A） HEK293T细胞GFP自噬相关蛋白LC3B、ATG5、BECN1、ATG7、ATG13和ULK1与DNMT1互作co-IP。

（B）HEK293T细胞DNMT1与ATG7的互作co-IP。

（C）GST-DNMT1亲和分离实验检测其与经细菌表达并纯化的ATG7蛋白结合。

（D）DNMT1蛋白结构示意图。

（E）DNMT1截短体蛋白构建设计示意图。

（F）HEK293T细胞MYC标签的DNMT1截短体与ATG7的互作co-IP分。

（6）RRBS鉴定出KIF1A通过调控黑色素颗粒转运维持正常毛色

图6：DNMT1缺失通过KIF1A基因挽救小鼠和黑色素细胞中辐射诱导的毛发变白。

（A-B） 差异甲基化区域（DMRs）热图显示，与年轻小鼠（2月龄，n=3）相比，衰老小鼠（20月龄，n=3）血液细胞基因组中的整体DNA甲基化水平增加。

（C） 年轻和衰老小鼠血液细胞基因组中DMRs分布。

（D）Western blot分析及定量检测2月龄野生型（wt）和dnmt1fl/fl:TM-Cre小鼠在IR处理后2个月皮肤中KIF1A的表达。

（E）Western blot分析及定量检测黑色素细胞在IR处理24小时后KIF1A的表达。

（F）Western blot分析及定量检测人黑色素细胞在IR处理24小时并转染si-DNMT1后KIF1A的表达。

（G）ChIP-qPCR分析人黑色素细胞中DNMT1与HIF1A启动子的结合情况。

（H）分析20月龄wt和dnmt1fl/fl:TM-Cre小鼠皮肤中Kif1a的甲基化（M）和非甲基化（UM）状态。

（I）检测经si-KIF1A处理的黑色素细胞中黑色素的水平。

（J）Western blot分析及定量检测转染对照和si-KIF1A的黑色素细胞中KIF1A的表达。

结论和启示

本研究通过RRBS、WGBS及功能验证实验揭示了DNMT1、自噬和衰老之间的复杂调控网络，得出以下结论：

DNMT1蛋白在衰老器官和衰老细胞中异常积累，尽管其mRNA水平下降；

DNMT1通过甲基化自噬相关基因抑制自噬，形成负反馈回路；

DNMT1与衰老之间存在正反馈回路，双向促进；

DNMT1通过甲基化MITF和KIF1A基因抑制黑色素合成和转运，导致毛发变白；

敲除DNMT1或使用去甲基化药物可预防辐射诱导的毛发变白和器官衰老。

研究整合了WGBS（全基因组亚硫酸盐测序）和RRBS（简化代表性亚硫酸盐测序）两大高通量DNA甲基化分析金标准技术，为衰老表观遗传学研究提供了方法学参考。

参考文献：

Li L, Mao X, Li LX, Xiao H, Lou Z, Liu H, Zhou JX, Yao L, Li X. Feedback loops between DNMT1 and autophagy as well as senescence promotes organ aging and canities. Autophagy. 2026 May 19. doi: 10.1080/15548627.2026.2677185.