衰老造血干細(xì)胞的“生存壓力”

與衰老伴隨出現(xiàn)的，是造血干細(xì)胞功能的退化。造血干細(xì)胞具有再生造血系統(tǒng)的功能。由于干細(xì)胞老化所引起的細(xì)胞應(yīng)激有可能是導(dǎo)致這一功能退化的原因之一。

組織更新是機(jī)體依賴于持久的、具有自我更新能力的干細(xì)胞所進(jìn)行的一項(xiàng)基礎(chǔ)生理過程。但是，在機(jī)體衰老過程中，干細(xì)胞的功能也會(huì)隨之退化。造血干細(xì)胞（HSC）可以維持全部血細(xì)胞譜系，它與其它長壽命干細(xì)胞一樣，容易在老化過程中積累DNA損傷。對(duì)HSC來說，這些損傷會(huì)降低其再生血細(xì)胞的能力，并增加患白血病等疾病的風(fēng)險(xiǎn)。然而，到目前為止，我們還不清楚到底是什么原因造成了這些損傷，這些損傷又是如何引起了HSC的功能退化。Flach等人的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，損傷主要是由于細(xì)胞應(yīng)激所引起的，而細(xì)胞應(yīng)激又是因?yàn)榈托У腄NA復(fù)制導(dǎo)致。由此，他們將目光集中在了可能存在的分子缺陷上。

當(dāng)細(xì)胞無法修復(fù)遺傳錯(cuò)誤時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)DNA損傷，這經(jīng)常會(huì)在細(xì)胞增殖過程中DNA復(fù)制時(shí)出現(xiàn)。對(duì)小鼠和人而言，當(dāng)DNA修復(fù)出現(xiàn)缺陷時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)衰老加快的情況，這一事實(shí)也支持了DNA損傷是造成干細(xì)胞功能退化的主要原因之一的理論。但對(duì)于HSC中DNA損傷發(fā)生的原因，一直以來都存在激烈的爭(zhēng)論，因?yàn)橛卸喾N因素都可能與之相關(guān)：*，內(nèi)在因素，例如細(xì)胞本身出現(xiàn)的問題，如失去細(xì)胞極性；第二，外在因素，例如蛋白質(zhì)分泌，或者HSC周圍的細(xì)胞類型的改變，都會(huì)影響衰老HSC所處的環(huán)境。

Flach等人為了研究衰老HSC中DNA損傷的原因和影響，將分離自年輕和年老小鼠骨髓的HSC進(jìn)行比對(duì)。與年輕細(xì)胞相比，衰老的HSC顯示出功能上的退化，以及DNA損傷的信號(hào)，研究者是通過對(duì)γH2AX蛋白進(jìn)行檢測(cè)而獲知的。當(dāng)與DNA復(fù)制缺陷（被稱作DNA復(fù)制應(yīng)激）相關(guān)的蛋白質(zhì)增加時(shí)，γH2AX就會(huì)相伴出現(xiàn)。這些蛋白質(zhì)通過ATR酶促進(jìn)信號(hào)產(chǎn)生，從而對(duì)很多細(xì)胞功能進(jìn)行修飾。

研究者進(jìn)一步對(duì)這一意料之外的結(jié)果進(jìn)行跟進(jìn)研究，他們發(fā)現(xiàn)ATR信號(hào)在衰老HSC中會(huì)被活化，再次證明它們會(huì)在DNA復(fù)制應(yīng)激狀況下出現(xiàn)。細(xì)胞還會(huì)在進(jìn)入以及S期進(jìn)程中出現(xiàn)延遲，S期是細(xì)胞循環(huán)過程里基因組復(fù)制的階段。此外，在衰老HSC中，DNA復(fù)制經(jīng)常出現(xiàn)停滯，53BP1結(jié)構(gòu)數(shù)目提高，該結(jié)構(gòu)是細(xì)胞核內(nèi)染色體斷裂的標(biāo)記。

為了探究哪些分子缺陷會(huì)導(dǎo)致衰老的HSC中出現(xiàn)的復(fù)制應(yīng)激增強(qiáng)現(xiàn)象，F(xiàn)lach等人對(duì)年輕和衰老HSC中的基因表達(dá)譜進(jìn)行了比對(duì)。編碼MCM4和MCM6（MCM蛋白復(fù)合體的兩個(gè)組成部分，該復(fù)合體對(duì)DNA正確復(fù)制非常重要）的基因在衰老HSC中的表達(dá)比年輕細(xì)胞中要低。

研究者發(fā)現(xiàn)，通過實(shí)驗(yàn)敲除年輕HSC中的MCM4和MCM6編碼基因，會(huì)損害細(xì)胞功能。與衰老HSC一樣，這樣構(gòu)建的缺陷細(xì)胞在被移植到小鼠中后，再生造血系統(tǒng)的能力很差，說明了MCM4和MCM6與復(fù)制應(yīng)激相關(guān)，因此在缺乏時(shí)，會(huì)引起細(xì)胞功能退化。與此相一致的是，年輕HSC在受到化學(xué)物質(zhì)損傷時(shí)，出現(xiàn)復(fù)制應(yīng)激后，也會(huì)引起功能退化。

zui后，F(xiàn)lach等人還研究了γH2AX為何會(huì)在已經(jīng)停止增殖的HSCs中出現(xiàn)，已不再增殖的HSC也就不會(huì)經(jīng)歷復(fù)制應(yīng)激了。他們?cè)趓DNA基因中發(fā)現(xiàn)了長期存在的損傷信號(hào)，rDNA基因包括很多編碼參與組裝核糖體（細(xì)胞內(nèi)具有根據(jù)信使RNA合成蛋白質(zhì)功能的細(xì)胞器）的組件的基因。這一點(diǎn)也很容易說得通，因?yàn)閞DNA復(fù)制很困難，因此容易出現(xiàn)復(fù)制應(yīng)激。研究結(jié)果表明，長期存在的細(xì)胞損傷與rDNA基因的低表達(dá)相關(guān)。由此，細(xì)胞生成的核糖體不足，從而無法產(chǎn)生足夠量的蛋白質(zhì)來維持細(xì)胞功能——這一狀態(tài)被稱作核糖體源性應(yīng)激（ribosomal biogenesis stress）。

綜上所述，F(xiàn)lach等人的研究表明，衰老HSC會(huì)經(jīng)歷復(fù)制應(yīng)激以及核糖體源性應(yīng)激。前者可能會(huì)誘發(fā)后者，而且很明確的是，復(fù)制應(yīng)激至少是部分地導(dǎo)致了衰老HSC再生造血系統(tǒng)功能的衰退（圖1）。這一結(jié)果對(duì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的意義，同時(shí)也提出了許多疑問。例如，復(fù)制應(yīng)激是否會(huì)導(dǎo)致其它組織內(nèi)衰老干細(xì)胞的功能退化呢？這一研究中的機(jī)制是否同樣適用于人HSC呢？

圖1. 衰老細(xì)胞中的復(fù)制應(yīng)激。a，在年輕造血干細(xì)胞（HSC）中，MCM蛋白復(fù)合體促進(jìn)DNA復(fù)制，由此生成DNA新鏈。在另一個(gè)進(jìn)程中，在基因轉(zhuǎn)錄過程中，mRNA會(huì)移動(dòng)到核糖體，在那里生成蛋白質(zhì)。這一過程使得HSC可以進(jìn)行自我更新，并生成全血細(xì)胞系。b，F(xiàn)lach等報(bào)道了他們的研究結(jié)果：衰老HSC內(nèi)的MCM4和MCM6兩種蛋白質(zhì)水平下降，從而阻止了MCM復(fù)合體的正常工作，從而誘發(fā)DNA復(fù)制應(yīng)激。與復(fù)制應(yīng)激相關(guān)的DNA損傷在衰老HSC中無法被正常修復(fù)，進(jìn)而導(dǎo)致編碼核糖體組件的基因的異常，核糖體組裝過程受損，以及蛋白質(zhì)勝成量下降。所有這些HSC面臨的應(yīng)激狀態(tài)zui終使其生成血細(xì)胞系的功能退化。

由于復(fù)制應(yīng)激是許多腫瘤的發(fā)病原因，有理由猜測(cè)HSC中的應(yīng)激會(huì)導(dǎo)致基因突變的逐步累積，而這將導(dǎo)致血液系統(tǒng)與年齡相關(guān)的癌癥。接下來，可以對(duì)核糖體源性應(yīng)激如何致使HSC發(fā)生功能退化進(jìn)行研究，另外，p53腫瘤抑制蛋白是否也參與其中，該蛋白是復(fù)制機(jī)核糖體應(yīng)激的感應(yīng)器。

還有一個(gè)問題：如果能夠恢復(fù)MCM4和MCM6的正常水平，是否可以避免衰老HSC中出現(xiàn)的復(fù)制應(yīng)激甚至功能衰退？如果答案是肯定的，那么，闡明MCM基因?yàn)楹螘?huì)隨著年齡的增加被抑制表達(dá)，應(yīng)該是下一步研究的起點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，我們可以建立推遲、預(yù)防甚至逆轉(zhuǎn)由衰老所引起的血液系統(tǒng)再生功能的方法。