摘要：一項(xiàng)研究表明，維持干擾素-γ 和細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶/絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)之間的微妙平衡對(duì)于在衰老過(guò)程中保存腸道干細(xì)胞群至關(guān)重要。
最近由副教授Takuya Yamamoto和研究員May Nakajima-Koyama領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究表明，維持干擾素-γ (IFN-γ)和細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)/絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號(hào)之間的微妙平衡對(duì)于在衰老過(guò)程中保存腸道干細(xì)胞群至關(guān)重要。
通過(guò)比較年輕小鼠和老年小鼠腸道組織，研究人員發(fā)現(xiàn)了這些信號(hào)通路之間的相互作用，這些信號(hào)通路隨著時(shí)間的推移支持干細(xì)胞的維持。
圖1 IFN-γ和ERK/MAPK信號(hào)傳導(dǎo)活性之間的平衡確保了腸道干細(xì)胞的終身維持腸上皮是成人體內(nèi)細(xì)胞周轉(zhuǎn)率最高的細(xì)胞，需要腸干細(xì)胞（ISCs）持續(xù)而精確的調(diào)節(jié)來(lái)維持新的吸收性腸細(xì)胞和分泌細(xì)胞的產(chǎn)生，包括Paneth、杯狀細(xì)胞、簇狀細(xì)胞和腸內(nèi)分泌細(xì)胞。在來(lái)自干細(xì)胞生態(tài)位和周圍免疫細(xì)胞的生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子的驅(qū)動(dòng)下，多種信號(hào)通路密切調(diào)節(jié)ISC的自我更新和分化。
盡管腸道環(huán)境發(fā)生了與衰老相關(guān)的變化，但I(xiàn)SCs仍會(huì)不斷產(chǎn)生新的細(xì)胞，從而在整個(gè)生命周期中維持這種高周轉(zhuǎn)率，這表明存在保護(hù)ISCs免受微環(huán)境波動(dòng)影響的保護(hù)機(jī)制。然而，潛在的機(jī)制在很大程度上仍然未知。
為了了解衰老如何影響ISCs，研究小組檢查了年輕（2-4個(gè)月大）和老年（22-27個(gè)月大）小鼠的腸道組織，這些小鼠的平均壽命約為兩年。研究人員使用具有Lgr5報(bào)告基因（ISCs的標(biāo)記基因）的小鼠，發(fā)現(xiàn)即使隨著年齡的增長(zhǎng)，ISC庫(kù)也能保持不變。
組織學(xué)分析進(jìn)一步表明，盡管ISCs的增殖能力保持不變，但祖細(xì)胞的增殖能力隨著年齡的增長(zhǎng)而下降。此外，他們觀察到ISCs向腸內(nèi)分泌細(xì)胞的分化增強(qiáng)，腸內(nèi)分泌細(xì)胞產(chǎn)生腸道激素，并在調(diào)節(jié)全身代謝中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
為了更深入地了解與衰老相關(guān)的變化，研究人員分析了來(lái)自年輕和老年腸道的10,000多個(gè)單個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá)譜，以在單細(xì)胞水平上檢查它們的基因表達(dá)模式。他們的分析確定了細(xì)胞類型特異性，年齡相關(guān)的基因表達(dá)改變，腸細(xì)胞成熟的顯著變化。
此外，他們觀察到代謝基因的年齡依賴性上調(diào)，這表明與年輕的腸細(xì)胞相比，衰老的腸細(xì)胞可能經(jīng)歷了更強(qiáng)的成熟和代謝適應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)表明，分化細(xì)胞可能比ISCs更容易受到衰老的影響。
圖2 衰老對(duì)ISC自我更新和分化的影響
為了揭示腸上皮中年齡依賴性細(xì)胞和轉(zhuǎn)錄組變化的調(diào)控機(jī)制，研究人員首先確定了衰老標(biāo)志物，通過(guò)將其表達(dá)作為指標(biāo)來(lái)確定上游因素。通過(guò)對(duì)公共數(shù)據(jù)集進(jìn)行綜合分析，他們發(fā)現(xiàn)MHC II類基因Ceacam10和Ly6e是ISCs在衰老過(guò)程中顯著上調(diào)的衰老標(biāo)志物。盡管這些基因的表達(dá)在衰老的ISCs中升高，但它們?cè)趩渭?xì)胞水平上并不相關(guān)，因此表明涉及多個(gè)獨(dú)立的調(diào)控機(jī)制。
接下來(lái)，研究人員進(jìn)行了計(jì)算機(jī)分析，以預(yù)測(cè)上游調(diào)節(jié)因子，并確定了幾種可能有助于誘導(dǎo)衰老標(biāo)記的候選信號(hào)通路。為了驗(yàn)證這些途徑的參與，他們用已知影響候選途徑的生物活性分子處理了腸道類器官——培養(yǎng)中的微型腸道。
他們的研究結(jié)果表明，IFN-γ信號(hào)激活和ERK/MAPK信號(hào)失活有助于腸上皮的年齡相關(guān)變化。通過(guò)小鼠模型，研究人員進(jìn)一步證實(shí)，隨著年齡的增長(zhǎng)，這些信號(hào)的改變發(fā)生在小腸中。然而，這些信號(hào)變化對(duì)腸道穩(wěn)態(tài)的綜合影響仍有待充分闡明。
為了研究這些通路的變化如何影響ISCs，研究人員用IFN-γ和iMEK （MEK/ERK MAPK信號(hào)的抑制劑）處理腸道類器官。值得注意的是，iMEK誘導(dǎo)ISCs處于靜止?fàn)顟B(tài)，IFN-γ處理可逆轉(zhuǎn)這一狀態(tài)。此外，他們證明了iMEK和IFN-γ聯(lián)合治療減輕了單獨(dú)一種分子引起的類器官損傷，這表明這兩種信號(hào)通路以代償方式支持類器官的生長(zhǎng)和存活。
機(jī)制上，轉(zhuǎn)錄組分析顯示IFN-γ逆轉(zhuǎn)了大多數(shù)imek誘導(dǎo)的全局轉(zhuǎn)錄組變化，部分通過(guò)調(diào)節(jié)Wnt/β-catenin信號(hào)傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄因子Myc。相反，iMEK或IFN-γ單獨(dú)觸發(fā)腸內(nèi)分泌細(xì)胞和腸細(xì)胞的年齡相關(guān)變化。這些發(fā)現(xiàn)表明，雖然IFN-γ和ERK/MAPK信號(hào)傳導(dǎo)之間的平衡對(duì)ISC維持至關(guān)重要，但它可能同時(shí)驅(qū)動(dòng)分化細(xì)胞中與年齡相關(guān)的變化和功能障礙。
本研究表明，ERK/MAPK與IFN-γ信號(hào)的相互作用在腸上皮細(xì)胞衰老中起關(guān)鍵作用。研究結(jié)果表明，哺乳動(dòng)物腸上皮已經(jīng)進(jìn)化出一種信號(hào)機(jī)制，優(yōu)先保存ISCs，可能以犧牲分化細(xì)胞為代價(jià)，這可能有助于體內(nèi)與年齡相關(guān)的代謝變化。
同時(shí)恢復(fù)ERK/MAPK和IFN-γ信號(hào)活性到更年輕的狀態(tài)可能是一種有希望的抗衰老治療策略，對(duì)ISCs的影響最小。
參考資料
[1] The balance between IFN-γ and ERK/MAPK signaling activities ensures lifelong maintenance of intestinal stem cells
摘要：一項(xiàng)研究表明，維持干擾素-γ 和細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶/絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)之間的微妙平衡對(duì)于在衰老過(guò)程中保存腸道干細(xì)胞群至關(guān)重要。
最近由副教授Takuya Yamamoto和研究員May Nakajima-Koyama領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究表明，維持干擾素-γ (IFN-γ)和細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)/絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號(hào)之間的微妙平衡對(duì)于在衰老過(guò)程中保存腸道干細(xì)胞群至關(guān)重要。
通過(guò)比較年輕小鼠和老年小鼠腸道組織，研究人員發(fā)現(xiàn)了這些信號(hào)通路之間的相互作用，這些信號(hào)通路隨著時(shí)間的推移支持干細(xì)胞的維持。
圖1 IFN-γ和ERK/MAPK信號(hào)傳導(dǎo)活性之間的平衡確保了腸道干細(xì)胞的終身維持腸上皮是成人體內(nèi)細(xì)胞周轉(zhuǎn)率最高的細(xì)胞，需要腸干細(xì)胞（ISCs）持續(xù)而精確的調(diào)節(jié)來(lái)維持新的吸收性腸細(xì)胞和分泌細(xì)胞的產(chǎn)生，包括Paneth、杯狀細(xì)胞、簇狀細(xì)胞和腸內(nèi)分泌細(xì)胞。在來(lái)自干細(xì)胞生態(tài)位和周圍免疫細(xì)胞的生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子的驅(qū)動(dòng)下，多種信號(hào)通路密切調(diào)節(jié)ISC的自我更新和分化。
盡管腸道環(huán)境發(fā)生了與衰老相關(guān)的變化，但I(xiàn)SCs仍會(huì)不斷產(chǎn)生新的細(xì)胞，從而在整個(gè)生命周期中維持這種高周轉(zhuǎn)率，這表明存在保護(hù)ISCs免受微環(huán)境波動(dòng)影響的保護(hù)機(jī)制。然而，潛在的機(jī)制在很大程度上仍然未知。
為了了解衰老如何影響ISCs，研究小組檢查了年輕（2-4個(gè)月大）和老年（22-27個(gè)月大）小鼠的腸道組織，這些小鼠的平均壽命約為兩年。研究人員使用具有Lgr5報(bào)告基因（ISCs的標(biāo)記基因）的小鼠，發(fā)現(xiàn)即使隨著年齡的增長(zhǎng)，ISC庫(kù)也能保持不變。
組織學(xué)分析進(jìn)一步表明，盡管ISCs的增殖能力保持不變，但祖細(xì)胞的增殖能力隨著年齡的增長(zhǎng)而下降。此外，他們觀察到ISCs向腸內(nèi)分泌細(xì)胞的分化增強(qiáng)，腸內(nèi)分泌細(xì)胞產(chǎn)生腸道激素，并在調(diào)節(jié)全身代謝中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
為了更深入地了解與衰老相關(guān)的變化，研究人員分析了來(lái)自年輕和老年腸道的10,000多個(gè)單個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá)譜，以在單細(xì)胞水平上檢查它們的基因表達(dá)模式。他們的分析確定了細(xì)胞類型特異性，年齡相關(guān)的基因表達(dá)改變，腸細(xì)胞成熟的顯著變化。
此外，他們觀察到代謝基因的年齡依賴性上調(diào)，這表明與年輕的腸細(xì)胞相比，衰老的腸細(xì)胞可能經(jīng)歷了更強(qiáng)的成熟和代謝適應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)表明，分化細(xì)胞可能比ISCs更容易受到衰老的影響。
圖2 衰老對(duì)ISC自我更新和分化的影響
為了揭示腸上皮中年齡依賴性細(xì)胞和轉(zhuǎn)錄組變化的調(diào)控機(jī)制，研究人員首先確定了衰老標(biāo)志物，通過(guò)將其表達(dá)作為指標(biāo)來(lái)確定上游因素。通過(guò)對(duì)公共數(shù)據(jù)集進(jìn)行綜合分析，他們發(fā)現(xiàn)MHC II類基因Ceacam10和Ly6e是ISCs在衰老過(guò)程中顯著上調(diào)的衰老標(biāo)志物。盡管這些基因的表達(dá)在衰老的ISCs中升高，但它們?cè)趩渭?xì)胞水平上并不相關(guān)，因此表明涉及多個(gè)獨(dú)立的調(diào)控機(jī)制。
接下來(lái)，研究人員進(jìn)行了計(jì)算機(jī)分析，以預(yù)測(cè)上游調(diào)節(jié)因子，并確定了幾種可能有助于誘導(dǎo)衰老標(biāo)記的候選信號(hào)通路。為了驗(yàn)證這些途徑的參與，他們用已知影響候選途徑的生物活性分子處理了腸道類器官——培養(yǎng)中的微型腸道。
他們的研究結(jié)果表明，IFN-γ信號(hào)激活和ERK/MAPK信號(hào)失活有助于腸上皮的年齡相關(guān)變化。通過(guò)小鼠模型，研究人員進(jìn)一步證實(shí)，隨著年齡的增長(zhǎng)，這些信號(hào)的改變發(fā)生在小腸中。然而，這些信號(hào)變化對(duì)腸道穩(wěn)態(tài)的綜合影響仍有待充分闡明。
為了研究這些通路的變化如何影響ISCs，研究人員用IFN-γ和iMEK （MEK/ERK MAPK信號(hào)的抑制劑）處理腸道類器官。值得注意的是，iMEK誘導(dǎo)ISCs處于靜止?fàn)顟B(tài)，IFN-γ處理可逆轉(zhuǎn)這一狀態(tài)。此外，他們證明了iMEK和IFN-γ聯(lián)合治療減輕了單獨(dú)一種分子引起的類器官損傷，這表明這兩種信號(hào)通路以代償方式支持類器官的生長(zhǎng)和存活。
機(jī)制上，轉(zhuǎn)錄組分析顯示IFN-γ逆轉(zhuǎn)了大多數(shù)imek誘導(dǎo)的全局轉(zhuǎn)錄組變化，部分通過(guò)調(diào)節(jié)Wnt/β-catenin信號(hào)傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄因子Myc。相反，iMEK或IFN-γ單獨(dú)觸發(fā)腸內(nèi)分泌細(xì)胞和腸細(xì)胞的年齡相關(guān)變化。這些發(fā)現(xiàn)表明，雖然IFN-γ和ERK/MAPK信號(hào)傳導(dǎo)之間的平衡對(duì)ISC維持至關(guān)重要，但它可能同時(shí)驅(qū)動(dòng)分化細(xì)胞中與年齡相關(guān)的變化和功能障礙。
本研究表明，ERK/MAPK與IFN-γ信號(hào)的相互作用在腸上皮細(xì)胞衰老中起關(guān)鍵作用。研究結(jié)果表明，哺乳動(dòng)物腸上皮已經(jīng)進(jìn)化出一種信號(hào)機(jī)制，優(yōu)先保存ISCs，可能以犧牲分化細(xì)胞為代價(jià)，這可能有助于體內(nèi)與年齡相關(guān)的代謝變化。
同時(shí)恢復(fù)ERK/MAPK和IFN-γ信號(hào)活性到更年輕的狀態(tài)可能是一種有希望的抗衰老治療策略，對(duì)ISCs的影響最小。
參考資料
[1] The balance between IFN-γ and ERK/MAPK signaling activities ensures lifelong maintenance of intestinal stem cells
