撰文 | 風

衰老與干細胞再生能力下降相關，干細胞功能的降低會引起癌癥和許多慢性疾病的發(fā)病率隨年齡升高。因此，解析干細胞衰老的分子機制是開展衰老相關缺陷過程和疾病治療的重要前提。造血干細胞（hematopoietic stem cells，HSCs）具有再生能力并維持血細胞穩(wěn)定。隨著年齡增長，長壽命HSCs功能減退但數(shù)量增加。在年輕個體中，與大多數(shù)成體干細胞類似，HSCs主要處于靜息狀態(tài)，而當需要造血時，HSCs能夠重建血液系統(tǒng)（詳見BioArt報道：；；）。這種靜息狀態(tài)使HSCs能夠維持組織穩(wěn)態(tài)，并在其生命周期中保護修復缺陷和受損組織的能力。相反，隨著年齡增長，相當一部分造血干細胞失去靜息狀態(tài)而處于激活和功能受損狀態(tài)。HSCs的激活與體細胞突變負荷增加、克隆性造血以及衰老干細胞庫多樣性降低相關【1】。此外，衰老HSCs的血系生成失衡，傾向于髓系細胞生成【2】。這種衰老介導的HSCs異常會導致老年人免疫缺陷、貧血，并增加髓系惡性腫瘤的發(fā)病風險。因此，如何增強衰老HSCs再生能力的同時恢復其自我更新潛能值得探討。

溶酶體是細胞內(nèi)降解和清除受損或衰老大分子及細胞器的中心。因此，溶酶體在營養(yǎng)缺乏等應激條件下介導內(nèi)吞、吞噬和自噬降解過程。另外，溶酶體還在細胞中提供儲存功能，并作為信號樞紐發(fā)揮作用，例如提供平臺招募和激活mTORC1。研究表明受到調(diào)控的緩慢溶酶體降解過程是小鼠HSCs潛能、靜息狀態(tài)和代謝的關鍵【3】，提示年齡相關的溶酶體功能受損可能直接與HSCs衰老相關。然而，溶酶體在HSCs衰老中的作用而不同于其在自噬中的被動介導作用尚不清楚。

今日，美國紐約西奈山伊坎醫(yī)學院細胞、發(fā)育與再生生物學系Saghi Ghaffari團隊在Cell Stem Cell雜志在線發(fā)表題為Reversing lysosomal dysfunction restores youthful state in aged hematopoietic stem cells的研究文章。該研究揭示溶酶體紊亂介導的代謝和轉(zhuǎn)錄重塑以及炎癥是衰老造血干細胞功能紊亂的重要因素，靶向溶酶體紊亂是改善造血干細胞自我更新和發(fā)育潛能的新方向。

既往研究發(fā)現(xiàn)低線粒體膜電位（mitochondrial membrane potential，MMP）可以作為依據(jù)分選高發(fā)育潛力的HSCs【4】。作者在年輕和衰老小鼠骨髓中分選低和高MMP的HSCs。在衰老小鼠，低MMP的HSCs比高MMP的HSCs非分裂細胞比例更高。盡管相比于年輕HSCs，衰老HSCs的線粒體膜電位總體水平降低，但低MMP的衰老HSCs仍保持較高的潛能和靜息狀態(tài)，提示衰老HSCs中低MMP亞群仍相對富含靜息狀態(tài)的干細胞。

隨后，免疫熒光和PCR證實衰老HSCs中溶酶體數(shù)量減少，且編碼溶酶體部分蛋白（cathepsin C and D）和酶表達降低。不僅如此，衰老HSCs中galectin-1增加，提示溶酶體損傷。值得注意的是，盡管數(shù)量減少，衰老HSCs溶酶體內(nèi)酸化程度和降解能力卻比年輕HSCs增加?？紤]到v-ATPases（vacuolar H+ -adenosine triphosphatase ATPases）對溶酶體酸化和降解能力的重要性，作者使用v-ATPases特異性抑制劑刀豆素A（ConA）處理衰老HSCs，發(fā)現(xiàn)ConA抑制溶酶體活性并使溶酶體增大，類似于年輕靜息狀態(tài)HSCs的溶酶體。這些發(fā)現(xiàn)表明衰老HSCs中v-ATPases介導的酸化導致溶酶體特性改變。由于溶酶體募集并激活mTORC1，作者發(fā)現(xiàn)衰老HSCs中mTOR信號活化，表現(xiàn)為mTOR的溶酶體定位、mTORC1磷酸化以及上游RAGA/B和RHEB表達的增加。相對應的，衰老HSCs糖攝入和糖酵解水平顯著增加。相反，ConA處理可以逆轉(zhuǎn)衰老HSCs中增加的mTOR信號通路和糖酵解代謝至年輕靜息狀態(tài)HSCs的水平。另外，F(xiàn)oxo3是調(diào)節(jié)HSCs靜息和潛能的重要轉(zhuǎn)錄因子，F(xiàn)oxo3缺陷與HSCs衰老有關【5】。作者同樣發(fā)現(xiàn)衰老HSCs中Foxo3的表達和核定位降低且Foxo3的上游調(diào)控者SIRT1表達也顯著降低，而ConA可以恢復Foxo3和SIRT1的表達?？傊?，這些結(jié)果提示衰老HSCs溶酶體缺陷改變了細胞代謝而ConA可以恢復失能的溶酶體。不僅如此，與激活狀態(tài)對應，衰老HSCs相比于年輕HSCs分裂次數(shù)增加，衰老HSCs的高MMP亞群分裂次數(shù)也高于低MMP亞群。ConA處理顯著降低衰老HSCs的分裂次數(shù)，且糾正衰老HSCs子代髓系/淋系比例，提示靶向溶酶體可以改善衰老HSCs的功能減退。

最后，作者發(fā)現(xiàn)衰老HSCs中IFN反應顯著高于年輕HSCs，表明一種炎癥活化狀態(tài)。由于溶酶體特性和pH狀態(tài)與線粒體特性有關，分析發(fā)現(xiàn)衰老HSCs中線粒體出現(xiàn)超融合現(xiàn)象和線粒體DNA（mtDNA）的釋放，而ConA處理可以逆轉(zhuǎn)這種缺陷，提示溶酶體紊亂導致線粒體損傷和線粒體DNA釋放。相對應地，作者檢測到衰老HSCs中cGAS-STING信號通路的活化，表現(xiàn)為TBK1和IRF3磷酸化和IFNβ表達的增加。相反，STING抑制劑抑制衰老HSCs中IFNβ的表達。不僅如此，STING抑制劑也能增加體內(nèi)衰老HSCs的再生能力。ConA處理也能抑制衰老HSCs的IFN反應?？傊@些結(jié)果表明溶酶體紊亂通過調(diào)節(jié)線粒體mtDNA介導的cGAS-STING信號通路促進內(nèi)源性INN炎癥反應。

綜上所述，這項研究發(fā)現(xiàn)衰老造血干細胞中存在溶酶體紊亂，表現(xiàn)為體積減少但酸化和降解能力增加。溶酶體紊亂通過改變細胞代謝和轉(zhuǎn)錄狀態(tài)以及促進mtDNA介導的cGAS-STING信號增強IFN炎癥反應，導致衰老HSCs失去靜息和發(fā)育潛能。同時，抑制溶酶體酸化和降解能力有效改善衰老HSCs的功能，為恢復老齡個體的造血能力提供新的策略。

https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.10.012

制版人： 十一

參考文獻

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2. Wendy W, Pang., Elizabeth A, Price., Debashis, Sahoo., Isabel, Beerman., William J, Maloney., Derrick J, Rossi., Stanley L, Schrier., Irving L, Weissman.(2011). Human bone marrow hematopoietic stem cells are increased in frequency and myeloid-biased with age.Proc Natl Acad Sci U S A, 108(50), 20012-7. doi:10.1073/pnas.1116110108

3. Andrew, Murley., Kevin, Wickham., Andrew, Dillin.(2022). Life in lockdown: Orchestrating endoplasmic reticulum and lysosome homeostasis for quiescent cells.Mol Cell, 82(19), 3526-3537. doi:10.1016/j.molcel.2022.08.005

4. Madhusudhanan, Sukumar., Jie, Liu., Gautam U, Mehta., Shashank J, Patel., Rahul, Roychoudhuri., et al.(2015). Mitochondrial Membrane Potential Identifies Cells with Enhanced Stemness for Cellular Therapy.Cell Metab, 23(1), 63-76. doi:10.1016/j.cmet.2015.11.002

5. Matthew R, Warr., Mikhail, Binnewies., Johanna, Flach., Damien, Reynaud., Trit, Garg., Ritu, Malhotra., Jayanta, Debnath., Emmanuelle, Passegué.(2013). FOXO3A directs a protective autophagy program in haematopoietic stem cells.Nature, 494(7437), 323-7. doi:10.1038/nature11895

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