清华大学王建伟团队揭示造血干细胞衰老新机制
细胞生物学专家2020年5月13日

背景介绍

 

 

衰老是一个复杂的过程,其特征为许多组织内的稳态逐渐丧失。其中,造血干细胞HSC)的重建能力下降向髓系细胞而非淋巴系细胞分化的倾向增强,被认为是导致免疫衰老的主要因素

 

 

研究结果提示,HSC 的内在变化是导致 HSC 老化的主要因素;然而,最新研究表明,外部因素在这一过程中起着重要的作用。

 

在一项研究中,移植年轻小鼠的造血干细胞到年老受体小鼠体内,这些造血干细胞表现出与衰老相关的表型;另外一项研究比较并证实了年轻和老年骨髓中细胞因子存在显著的差异。这些研究表明,髓微环境在造血干细胞的衰老过程中同样起着重要的作用

 

 

研究发现,TNFa、IL1b 等促炎因子可由其受体介导而影响造血干细胞的功能等,尚不清楚与年龄相关的炎症是如何协调其内在机制来精细调控 HSC 的功能和分化的。

 

 

因此,阐明造血干细胞在衰老过程中对其周围微环境中炎症信号的反应可能有助于阐明髓系偏倚或衰老造血干细胞自我更新能力下降的机制。

 

 

2020 年 4 月 17 日,清华大学药学院王建伟团队在 Blood 在线发表题为 《Aging-induced IL27Ra Signaling Impairs Hematopoietic Stem Cells》的研究论文。

 

 

图片来源:Blood

 

 

 

主要内容

 

 

1、IL27Ra 可作为衰老造血干细胞的标志


为探索衰老 HSCs 的特征,研究人员在基因表达数据库进行检索,有 7 个细胞因子受体在衰老和年幼 HSCs 中存在差异表达(图 A),后续流式实验中(图 B)发现,只有 IL27Ra 在 2-3 月龄和 24-28 月龄小鼠中存在差异表达。IL27Ra+ HSCs 主要存在于 24-28 月龄小鼠中,并且这种现象在其他祖细胞中并无显著差异(图 C\D),这说明 IL27Ra 对衰老 HSCs 的特异性

 

 

图片来源:Blood

 

 

2、IL27Ra- HSCs 和 IL27Ra-/- HSCs 具有较高的自我更新能力


通过二次骨髓移植实验,研究人员比较分析了 IL27Ra+ 和 IL27Ra- HSCs 的自我更新能力。结果显示,年幼小鼠的 IL27Ra- 和 IL27Ra+ HSCs 均可以成功定植,并具有长期的多谱系造血功能(图 A/B)。但 IL27Ra- HSCs 表现出更强的自我更新能力。来自衰老小鼠的 IL27Ra+ HSCs 在二次移植后几乎检测不到,而且其主要向髓系分化偏倚且具有较弱的自我更新能力(图 C/D)。

 

 

图片来源:Blood

 

 

上述的实验是借助 IL27Ra 的表达,说明了 IL27Ra+ HSCs 主要存在于衰老小鼠中,并且其自我更新能力受抑

 

 

接下来,研究人员在小鼠中敲除了 IL27Ra,以检测其与野生型小鼠的差异。结果表明,在二次移植之后,无论是在年幼还是衰老小鼠中,IL27Ra 敲除组均表现出更强的自我更新和长期多谱系造血能力。

 

 

图片来源:Blood

 

 

3、ETS1 和 NF-kB p65 是调节 IL27Ra 表达的关键转录因子


IL27Ra 的表达对 HSCs 的功能具有重要的影响,那么调控其表达的关键转录因子是什么呢?研究人体借助 Luciferase 报告基因系统发现位于翻译起始位点上游 75bp - 120bp 位置的区域具有调控 IL27Ra 转录的功能(图 A)。

 

 

通过分析及克隆实验表明 ETS1 和 NF-kB p65 两者均可激活 IL27Ra 转录活性(图 B-E)。为进一步验证 ETS1 和 NF-kB p65 对 IL27Ra 的调控作用,他们进行了敲降和过表达实验(图 F-K),结果表明 IL27Ra 的表达与 ETS1 和 NF-kB p65 的表达呈正相关,进一步证实了 ETS1 和 NF-kB p65 调控 IL27Ra 的作用。

 

图片来源:Blood

 

 

4、促炎细胞因子通过 ERK-ETS1 通路产生的 TNF-a 诱发 IL27Ra 在 HSC 上的表达

 

 

该团队对衰老诱发 IL27Ra 表达对内在机制进行了研究。通过比较年幼和衰老小鼠中造血干祖细胞相关基因的表达,发现 ERK 磷酸化、ETS1 和 IL27Ra 在衰老组均有增加,同时,ERK 磷酸化、ETS1 在 IL27Ra + 的造血干祖细胞中的表达也有增加。数据表明,ERK-ETS1 信号通路在诱导 IL27Ra 的表达上发挥着关键的作用(上图 A-D)。

 

 

鉴于 ERK-ETS1 信号通路通常调控炎症细胞因子的基因表达,因此,他们将重点集中在骨髓中伴随衰老而发生变化的细胞因子。为检测哪种细胞因子诱导 IL27Ra 的表达,他们利用单个细胞因子刺激小鼠造血干祖细胞,发现只有 TNF α 和 IL1β 具有显著促进作用,尤其是 TNF α(上图 E-F),而且其还是通过 ERK 介导(上图 G)。结果表明,ERK-ETS1 是维持年幼 HSCs 中 IL27Ra 水平的关键调控因素,伴随衰老而增加的 TNFa-ERK-ETS1 信号通路是刺激衰老 HSCs 表达 IL27Ra 的内在机制

 

 

5、促炎因子 TNFa 通过上调 IL27Ra 以损害 HSC 正常功能


研究表明 TNFa 可损害 HSC 的功能,那么在这个过程中,IL27Ra 扮演着怎样的角色呢?为了回答这个问题,他们利用 TNFa 刺激来自野生型和 IL27Ra 敲除组小鼠的 HSCs,然后再移植到照射后的小鼠中(图 F)。结果表明,敲除 IL27Ra 后,可以阻止 TNFa 对 HSCs 的损害(图 G),这提示促炎因子 TNFa 对 HSCs 的损害是由 IL27Ra 介导的

 

图片来源:Blood

 

 

6、IL27Ra+ HSCs 是炎症刺激后髓系细胞恢复的储备细胞

 

伴随衰老,骨髓中增高的促炎因子 TNFa 可诱导 HSCs 表达 IL27Ra,使得向髓系分化的 IL27Ra+ HSCs 增加。研究者借助 LPS 介导的炎症模型,对上述发现进行进一步的验证。野生型和 IL27Ra 敲除小鼠在注射脂多糖 24 小时后,髓系细胞达到了高峰,而 B\T 细胞却将为最低(下图 A-C);但是,髓系祖细胞 CMPs 和 GMPs 在 24 后显著下降(下图 D-E),表明体内绝大部分髓系祖细胞都分化为成熟髓系细胞,用以抵抗感染。

 

 

在分析 HSCs 时发现,LPS 刺激 24 小时后,两组 HSCs 均表现出扩增,但是敲除组小鼠的扩增数量显著低于野生(下图 F);同时,在野生型扩增的 HSCs 中,是由 IL27Ra+ HSCs 贡献的(下图 G)。另外,这种细胞数量上的变化,和蛋白水平保持一致(下图 H)。这些数据表明,在 HSCs 中,IL27Ra 扮演着应对炎症刺激的作用。

 

 

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综上所述

 

 

该研究通过大量的体内外实验,发现了炎症因子促进 HSCs 衰老的内在机制,揭示了促炎因子 TNFa 可通过 ERK→ETS1 信号通路调控 HSCs 上 IL27Ra 的表达,首次建立了「炎症衰老」和「免疫衰老」之间的内在联系

 

 

图片来源:Blood

 

 

 

题图来源:站酷海洛 plus

参考文献:

1. He et al. Aging-induced IL27Ra Signaling Impairs Hematopoietic Stem Cells. Blood. 2020.

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本文转自丁香园