最新研究成果 | 清華大學(xué)藥學(xué)院王建偉團(tuán)隊(duì)在《BLOOD》雜志報(bào)導(dǎo)了慢性炎癥信號(hào)導(dǎo)致造血干細(xì)胞衰老的關(guān)鍵分子通路
時(shí)間：2021-04-09 00:31:02學(xué)院：藥學(xué)院學(xué)校：清華大學(xué)
2020年4月17日，清華大學(xué)藥學(xué)院王建偉團(tuán)隊(duì)在血液學(xué)專業(yè)期刊《BLOOD》雜志發(fā)表題為“衰老激活的IL27Ra信號(hào)損傷造血干細(xì)胞”（Aging-induced IL27Ra Signaling Impairs Hematopoietic Stem Cells）的研究論文，首次報(bào)導(dǎo)炎癥因子TNFα通過ERK→ETS1→IL27Ra信號(hào)通路導(dǎo)致造血干細(xì)胞衰老，并且證明IL27Ra是人和鼠造血干細(xì)胞新的表面標(biāo)記物，可以用來分離功能更強(qiáng)的造血干細(xì)胞。
衰老和衰老相關(guān)疾病是人口老齡化時(shí)代人類需要應(yīng)對(duì)的重大挑戰(zhàn)，在快速更新的組織中，組織的衰老起始于干細(xì)胞的衰老。造血干細(xì)胞（Hematopoietic Stem Cells，HSC）是最早被發(fā)現(xiàn)的成體干細(xì)胞，它主要定位于骨髓，能夠向下游分化為所有血液細(xì)胞并保持自我更新的能力，以維持整個(gè)生命周期的血細(xì)胞供應(yīng)。臨床上，HSC移植（造血干細(xì)胞移植）已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于臨床治療中。在衰老過程中，HSC的功能逐漸衰退，主要表現(xiàn)為：數(shù)目增加，重建血液系統(tǒng)的能力減弱，同時(shí)具有髓系分化傾向。HSC的衰老是老年貧血和老年髓系白血病高發(fā)的原因之一。
關(guān)于HSC衰老的分子機(jī)制研究，以往的工作主要關(guān)注于內(nèi)源機(jī)制，如DNA損傷、表觀遺傳紊亂、線粒體損傷等。基于HSC定位于骨髓，其功能受到骨髓微環(huán)境的影響這一特點(diǎn)，王建偉實(shí)驗(yàn)室通過細(xì)胞因子受體篩選的方法，發(fā)現(xiàn)并證明IL27Ra是HSC的表面標(biāo)記物，并闡明了衰老所導(dǎo)致的骨髓炎癥微環(huán)境通過TNF→ERK→ETS1→IL27Ra通路
在本文中，王建偉團(tuán)隊(duì)首先通過數(shù)據(jù)庫(kù)篩選，初步鎖定了7個(gè)在年老HSC中表達(dá)上調(diào)的細(xì)胞因子受體。通過進(jìn)一步的流式細(xì)胞術(shù)確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)上述7個(gè)受體中只有IL27Ra在年老HSC中表達(dá)上調(diào)。根據(jù)IL27Ra的表達(dá)，HSC可以分為兩群：IL27Ra+ HSC和IL27Ra- HSC。通過競(jìng)爭(zhēng)性移植實(shí)驗(yàn)，研究者發(fā)現(xiàn)：無論在年輕還是年老的小鼠中，IL27Ra- HSC功能都顯著強(qiáng)于IL27Ra+ HSC。通過更嚴(yán)格的單細(xì)胞移植實(shí)驗(yàn)，研究者證明IL27Ra可以作為HSC的表面標(biāo)記物，用于分選功能更強(qiáng)的HSC。值得一提的是，IL27Ra在老年人的HSC中也同樣上調(diào)，且體外克隆形成實(shí)驗(yàn)表明，IL27Ra同樣可以作為人類HSC 表面標(biāo)記物用于分選功能更強(qiáng)的HSC。
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Q: 既然IL27Ra表達(dá)上調(diào)導(dǎo)致了HSC功能衰退，那么阻斷IL27Ra信號(hào)，是否能延緩HSC衰老呢？
A: 為了回答這一問題，研究者引入了IL27Ra敲除小鼠，對(duì)血液系統(tǒng)的分析表明：在年輕小鼠中，IL27Ra信號(hào)缺失不影響血液系統(tǒng)發(fā)育；但隨著時(shí)間的積累，IL27Ra-/-小鼠的血液系統(tǒng)逐漸展現(xiàn)出“年輕化”的表型：與年齡匹配的野生型老年小鼠（18-28月齡）相比，IL27Ra-/-小鼠HSC表現(xiàn)出更強(qiáng)的重建血液系統(tǒng)的能力,且分化更均衡。
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Q: 衰老上調(diào)的IL27Ra導(dǎo)致了HSC功能衰退，那么是什么原因?qū)е铝怂ダ线^程中IL27Ra的上調(diào)呢？
A: 為了回答這一問題，研究者對(duì)IL27Ra進(jìn)行了啟動(dòng)子區(qū)篩選，發(fā)現(xiàn)翻譯起始位點(diǎn)上游-75bp至-120bp區(qū)段是IL27Ra的核心啟動(dòng)子區(qū)，通過生物信息學(xué)分析來預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)錄因子，聯(lián)合染色質(zhì)免疫共沉淀（ChIP）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)ETS1和NF-κB p65是激活I(lǐng)L27Ra表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，年老HSC中，ETS1及其上游ERK信號(hào)的活性顯著強(qiáng)于年輕HSC，而NF-κB p65信號(hào)未見顯著變化，說明衰老過程中ERK-ETS1信號(hào)的激活是導(dǎo)致IL27Ra上調(diào)的關(guān)鍵原因。為了進(jìn)一步探究ERK→ETS1→IL27Ra上游的信號(hào)，研究者利用細(xì)胞因子芯片技術(shù)比較了年輕和年老小鼠骨髓中細(xì)胞因子含量，發(fā)現(xiàn)年老小鼠骨髓中呈現(xiàn)炎癥狀態(tài)，通過對(duì)年老上調(diào)的炎癥因子進(jìn)行篩選，研究者鎖定了腫瘤壞死因子（TNFα），并證實(shí)TNFα是激活ERK-ETS1最終導(dǎo)致IL27Ra表達(dá)上調(diào)的關(guān)鍵因子。
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Q: 以上結(jié)果表明炎癥因子TNFα通過ERK-ETS1激活了IL27Ra的表達(dá)，而IL27Ra的激活又是如何損傷造血干細(xì)胞的呢？
A: 研究者對(duì)IL27Ra- HSC和IL27Ra+ HSC進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組分析（RNA-seq），發(fā)現(xiàn)IL27Ra+ HSC中炎癥基因的表達(dá)更為活躍，這些基因的表達(dá)使得IL27Ra+ HSC呈現(xiàn)出炎癥狀態(tài)最終導(dǎo)致功能衰退。
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Q: 最后，生理狀態(tài)下，IL27Ra+ HSC的功能是什么呢？
A: 研究者對(duì)野生型和IL27Ra-/-小鼠進(jìn)行LPS刺激，用于模擬炎癥狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，LPS刺激下，野生型小鼠HSC迅速擴(kuò)增，同時(shí)IL27Ra+ HSC的比例也急劇增加，表明IL27Ra+ HSC是作為應(yīng)對(duì)炎癥的干細(xì)胞儲(chǔ)備。與野生型小鼠相比，IL27Ra-/-小鼠HSC在LPS刺激下擴(kuò)增能力更弱，表明IL27Ra可以作為傳感器（sensor）分子響應(yīng)炎癥信號(hào)，促使HSC大量擴(kuò)增。
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至此，研究者闡明了衰老相關(guān)的慢性炎癥通過TNFα→ERK→ETS1→IL27Ra通路損傷HSC的分子機(jī)制。同時(shí)，IL27Ra作為HSC表面標(biāo)記物這一發(fā)現(xiàn)為臨床上分離純化功能更強(qiáng)的HSC提供了思路。最后，研究者證明IL27Ra是HSC應(yīng)對(duì)外界炎癥信號(hào)的傳感器基因，找到了炎性衰老引發(fā)HSC衰老的內(nèi)源機(jī)制。
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王建偉團(tuán)隊(duì)博士研究生何漢卿、徐龐連、張瀟飛為本文共同第一作者，王建偉研究員為本文通訊作者。本項(xiàng)目受到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市科委及生命科學(xué)聯(lián)合中心等多個(gè)項(xiàng)目的資助。
衰老和衰老相關(guān)疾病是人口老齡化時(shí)代人類需要應(yīng)對(duì)的重大挑戰(zhàn)，在快速更新的組織中，組織的衰老起始于干細(xì)胞的衰老。造血干細(xì)胞（Hematopoietic Stem Cells，HSC）是最早被發(fā)現(xiàn)的成體干細(xì)胞，它主要定位于骨髓，能夠向下游分化為所有血液細(xì)胞并保持自我更新的能力，以維持整個(gè)生命周期的血細(xì)胞供應(yīng)。臨床上，HSC移植（造血干細(xì)胞移植）已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于臨床治療中。在衰老過程中，HSC的功能逐漸衰退，主要表現(xiàn)為：數(shù)目增加，重建血液系統(tǒng)的能力減弱，同時(shí)具有髓系分化傾向。HSC的衰老是老年貧血和老年髓系白血病高發(fā)的原因之一。
關(guān)于HSC衰老的分子機(jī)制研究，以往的工作主要關(guān)注于內(nèi)源機(jī)制，如DNA損傷、表觀遺傳紊亂、線粒體損傷等。基于HSC定位于骨髓，其功能受到骨髓微環(huán)境的影響這一特點(diǎn)，王建偉實(shí)驗(yàn)室通過細(xì)胞因子受體篩選的方法，發(fā)現(xiàn)并證明IL27Ra是HSC的表面標(biāo)記物，并闡明了衰老所導(dǎo)致的骨髓炎癥微環(huán)境通過TNF→ERK→ETS1→IL27Ra通路
在本文中，王建偉團(tuán)隊(duì)首先通過數(shù)據(jù)庫(kù)篩選，初步鎖定了7個(gè)在年老HSC中表達(dá)上調(diào)的細(xì)胞因子受體。通過進(jìn)一步的流式細(xì)胞術(shù)確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)上述7個(gè)受體中只有IL27Ra在年老HSC中表達(dá)上調(diào)。根據(jù)IL27Ra的表達(dá)，HSC可以分為兩群：IL27Ra+ HSC和IL27Ra- HSC。通過競(jìng)爭(zhēng)性移植實(shí)驗(yàn)，研究者發(fā)現(xiàn)：無論在年輕還是年老的小鼠中，IL27Ra- HSC功能都顯著強(qiáng)于IL27Ra+ HSC。通過更嚴(yán)格的單細(xì)胞移植實(shí)驗(yàn)，研究者證明IL27Ra可以作為HSC的表面標(biāo)記物，用于分選功能更強(qiáng)的HSC。值得一提的是，IL27Ra在老年人的HSC中也同樣上調(diào)，且體外克隆形成實(shí)驗(yàn)表明，IL27Ra同樣可以作為人類HSC 表面標(biāo)記物用于分選功能更強(qiáng)的HSC。
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Q: 既然IL27Ra表達(dá)上調(diào)導(dǎo)致了HSC功能衰退，那么阻斷IL27Ra信號(hào)，是否能延緩HSC衰老呢？
A: 為了回答這一問題，研究者引入了IL27Ra敲除小鼠，對(duì)血液系統(tǒng)的分析表明：在年輕小鼠中，IL27Ra信號(hào)缺失不影響血液系統(tǒng)發(fā)育；但隨著時(shí)間的積累，IL27Ra-/-小鼠的血液系統(tǒng)逐漸展現(xiàn)出“年輕化”的表型：與年齡匹配的野生型老年小鼠（18-28月齡）相比，IL27Ra-/-小鼠HSC表現(xiàn)出更強(qiáng)的重建血液系統(tǒng)的能力,且分化更均衡。
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Q: 衰老上調(diào)的IL27Ra導(dǎo)致了HSC功能衰退，那么是什么原因?qū)е铝怂ダ线^程中IL27Ra的上調(diào)呢？
A: 為了回答這一問題，研究者對(duì)IL27Ra進(jìn)行了啟動(dòng)子區(qū)篩選，發(fā)現(xiàn)翻譯起始位點(diǎn)上游-75bp至-120bp區(qū)段是IL27Ra的核心啟動(dòng)子區(qū)，通過生物信息學(xué)分析來預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)錄因子，聯(lián)合染色質(zhì)免疫共沉淀（ChIP）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)ETS1和NF-κB p65是激活I(lǐng)L27Ra表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，年老HSC中，ETS1及其上游ERK信號(hào)的活性顯著強(qiáng)于年輕HSC，而NF-κB p65信號(hào)未見顯著變化，說明衰老過程中ERK-ETS1信號(hào)的激活是導(dǎo)致IL27Ra上調(diào)的關(guān)鍵原因。為了進(jìn)一步探究ERK→ETS1→IL27Ra上游的信號(hào)，研究者利用細(xì)胞因子芯片技術(shù)比較了年輕和年老小鼠骨髓中細(xì)胞因子含量，發(fā)現(xiàn)年老小鼠骨髓中呈現(xiàn)炎癥狀態(tài)，通過對(duì)年老上調(diào)的炎癥因子進(jìn)行篩選，研究者鎖定了腫瘤壞死因子（TNFα），并證實(shí)TNFα是激活ERK-ETS1最終導(dǎo)致IL27Ra表達(dá)上調(diào)的關(guān)鍵因子。
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Q: 以上結(jié)果表明炎癥因子TNFα通過ERK-ETS1激活了IL27Ra的表達(dá)，而IL27Ra的激活又是如何損傷造血干細(xì)胞的呢？
A: 研究者對(duì)IL27Ra- HSC和IL27Ra+ HSC進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組分析（RNA-seq），發(fā)現(xiàn)IL27Ra+ HSC中炎癥基因的表達(dá)更為活躍，這些基因的表達(dá)使得IL27Ra+ HSC呈現(xiàn)出炎癥狀態(tài)最終導(dǎo)致功能衰退。
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Q: 最后，生理狀態(tài)下，IL27Ra+ HSC的功能是什么呢？
A: 研究者對(duì)野生型和IL27Ra-/-小鼠進(jìn)行LPS刺激，用于模擬炎癥狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，LPS刺激下，野生型小鼠HSC迅速擴(kuò)增，同時(shí)IL27Ra+ HSC的比例也急劇增加，表明IL27Ra+ HSC是作為應(yīng)對(duì)炎癥的干細(xì)胞儲(chǔ)備。與野生型小鼠相比，IL27Ra-/-小鼠HSC在LPS刺激下擴(kuò)增能力更弱，表明IL27Ra可以作為傳感器（sensor）分子響應(yīng)炎癥信號(hào)，促使HSC大量擴(kuò)增。
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至此，研究者闡明了衰老相關(guān)的慢性炎癥通過TNFα→ERK→ETS1→IL27Ra通路損傷HSC的分子機(jī)制。同時(shí)，IL27Ra作為HSC表面標(biāo)記物這一發(fā)現(xiàn)為臨床上分離純化功能更強(qiáng)的HSC提供了思路。最后，研究者證明IL27Ra是HSC應(yīng)對(duì)外界炎癥信號(hào)的傳感器基因，找到了炎性衰老引發(fā)HSC衰老的內(nèi)源機(jī)制。
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王建偉團(tuán)隊(duì)博士研究生何漢卿、徐龐連、張瀟飛為本文共同第一作者，王建偉研究員為本文通訊作者。本項(xiàng)目受到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市科委及生命科學(xué)聯(lián)合中心等多個(gè)項(xiàng)目的資助。
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