PNAS| 白凡課題組與合作者揭示溶酶體功能在調(diào)控細胞靜息狀態(tài)深度及與老化關(guān)系中的作用
2019年10月21日，北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）、生命科學(xué)學(xué)院白凡課題組與美國亞利桑那大學(xué)姚廣課題組合作在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表題為“Graded regulation of cellular quiescence depth between proliferation and senescence by a lysosomal dimmer switch” 的研究論文，首次揭示了溶酶體功能在調(diào)控真核細胞靜息狀態(tài)深度（quiescence depth）中扮演“調(diào)節(jié)開關(guān)”的重要角色，同時也闡釋了細胞靜息狀態(tài)加深與衰老過程分子機制上的一致性。該研究成果對于理解組織穩(wěn)態(tài)、修復(fù)和再生以及機體衰老等重要生理學(xué)過程具有重要意義。
正常生理狀態(tài)下，機體內(nèi)的大部分細胞都不進入活躍細胞周期，而處于休眠的狀態(tài)。其中，可以被生長信號刺激逆轉(zhuǎn)的休眠狀態(tài)被稱為細胞靜息，而與之形成對比的是不可逆的細胞衰老狀態(tài)（senescence）。細胞靜息對于機體多種生理過程至關(guān)重要，例如，干細胞穩(wěn)態(tài)維持和組織的修復(fù)。另一方面，細胞靜息狀態(tài)的紊亂會導(dǎo)致諸如癌癥和衰老等嚴重病變過程的發(fā)生。正如人的睡眠程度有深有淺那樣，長期以來的研究表明細胞靜息也不是一個均一的狀態(tài)，而是具有不同等級的靜息深度，具體可表現(xiàn)為細胞在接受到生長信號刺激后重新進入增殖狀態(tài)（proliferation）的難易程度（例如，處于靜息深度更深的細胞進入增殖狀態(tài)所需要的生長信號濃度更高、誘導(dǎo)時間更長）。盡管以往研究對于細胞靜息深度有初步的認識，然而對于調(diào)控細胞靜息狀態(tài)深度的分子機制以及靜息和衰老過程之間的聯(lián)系還一直不清楚。
圖1，細胞的靜息狀態(tài)存在不同的深度
為了探究以上問題，作者團隊首先利用“血清饑餓”培養(yǎng)的方法（0到16天）在體外誘導(dǎo)大鼠胚胎成纖維細胞（REF）由淺及深地達到不同深度的靜息狀態(tài)，并對不同深度靜息狀態(tài)下的細胞進行轉(zhuǎn)錄組測序。通過整合和分析轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，作者發(fā)現(xiàn)在靜息狀態(tài)由淺及深的過程中細胞基因表達主要呈現(xiàn)出9種主要的模式。特別是隨著靜息深度的逐步加深，有兩簇基因的表達量呈現(xiàn)逐步上升的模式。通過功能富集分析，作者發(fā)現(xiàn)這兩簇基因都顯著地富集到了溶酶體（lysosome）相關(guān)的通路上。這些溶酶體相關(guān)的基因，包括編碼溶酶體相關(guān)的酶、激活蛋白、膜蛋白和離子通道蛋白的基因都隨著細胞靜息狀態(tài)加深表達量逐步上升。同時，作者發(fā)現(xiàn)隨著細胞靜息狀態(tài)加深，細胞內(nèi)溶酶體數(shù)量也隨之增加。
溶酶體基因表達和數(shù)量的上升讓作者猜想溶酶體的整體功能也會隨之上升。然而通過對能表征溶酶體功能的自噬流（autophagy flux）進行檢測，作者意外地發(fā)現(xiàn)隨著細胞靜息狀態(tài)加深，溶酶體功能不僅沒有增強反而逐漸降低。由此也引出了兩個關(guān)鍵問題：1）溶酶體基因表達和數(shù)量的上升與溶酶體功能到底有什么樣的關(guān)系？2）是否由于溶酶體功能的降低引起了細胞靜息狀態(tài)的加深？針對第一個問題，作者通過研究靜息加深過程中溶酶體的生成和降解，發(fā)現(xiàn)隨靜息加深溶酶體自身降解減緩，導(dǎo)致破損的溶酶體數(shù)量上升而功能下降；另一方面，溶酶體基因表達的持續(xù)上調(diào)促進溶酶體生成，進而部分地補償了溶酶體功能的降低。針對第二個問題，作者利用抑制劑抑制細胞內(nèi)溶酶體功能，由此發(fā)現(xiàn)細胞進入了更深的靜息狀態(tài)，甚至不可逆的細胞衰老態(tài)。另一方面，作者利用外源表達轉(zhuǎn)錄因子Mitf的方式增強了細胞內(nèi)溶酶體的功能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細胞的靜息深度變淺。進一步研究作者發(fā)現(xiàn)，溶酶體功能的升高能降低細胞內(nèi)活性氧自由基（ROS）的濃度防止靜息狀態(tài)加深。反之，溶酶體功能的降低使得細胞內(nèi)ROS濃度上升進而導(dǎo)致靜息狀態(tài)加深。
圖2，溶酶體功能在調(diào)控細胞靜息狀態(tài)深度中的作用
綜合以上結(jié)果，作者闡明了溶酶體功能是控制細胞靜息狀態(tài)深度重要“調(diào)節(jié)開關(guān)”，而該“開關(guān)”的工作原理是通過調(diào)節(jié)細胞內(nèi)ROS的濃度。最后，作者利用線性回歸模型對轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進行進一步挖掘，成功解析出能夠表征細胞靜息深度的一組特征基因。作者發(fā)現(xiàn)這組基因不僅能準確表征體內(nèi)、體外細胞靜息狀態(tài)的深度，還能準確地預(yù)測和區(qū)分細胞衰老狀態(tài)及體內(nèi)多種組織的老化進程。這個結(jié)果反映了細胞深度靜息狀態(tài)與細胞及組織老化具有共同的分子基礎(chǔ)，而靜息狀態(tài)加深是衰老過程潛在的過渡狀態(tài)。
圖3，表征細胞靜息狀態(tài)的特征基因能準確預(yù)測和區(qū)分細胞衰老狀態(tài)及體內(nèi)多種組織的老化進程
北京大學(xué)白凡研究員和亞利桑那大學(xué)姚廣教授為該研究論文的通訊作者。姚廣課題組博士生Kotaro Fujimaki以及白凡課題組博士后李若巖為本文的共同第一作者。白凡課題組博士生陳姮玉，匹茲堡大學(xué)邢建華教授以及亞利桑那大學(xué)張灝教授也參與該研究的部分工作。該研究工作得到自然科學(xué)基金和科技部重大專項的資助。
論文鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2019/10/18/1915905116
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