人体内的部分衰老细胞虽然会因为DNA损伤及其他因素刺激导致生长停滞、不再复制,但它们却依然发挥着不同寻常的作用,具有抗凋亡活性,同时还分泌以炎性细胞因子、生长因子和蛋白酶为主的衰老相关分泌表型(SASP)来影响邻近的细胞,从而引发局部炎症对机体造成伤害。
随着年龄增长,衰老细胞在人体内积累,与阿尔茨海默病、关节炎等衰老相关疾病(包括癌症)密切相关。于是,科学家们便试图针对性地清除这些体内衰老细胞,即Senolytic疗法。其中,达沙替尼+槲皮素的Senolytic药物组合已在在模式动物实验中被证明具有抗衰延寿效果,其潜力备受期待。
然而,衰老细胞并非一无是处。
美国加州大学旧金山分校的Tien Peng教授及他的同事们发现,健康、年轻的组织中同样存在着表达p16INK4α的衰老细胞(p16INK4α+),这些衰老细胞可以灵敏地通过NF-κB信号通路感知到炎症刺激,并分泌生长因子来促进干细胞再生,对于生物屏障修复至关重要。
p16INK4α蛋白是衰老细胞的关键标志物,与细胞周期调控相关,帮助衰老细胞保持增殖停滞的“僵尸”状态。研究表明,如果在小鼠生命早期清除p16INK4α+细胞,可以延缓其衰老症状的发生;如果给已经衰老的小鼠清除p16INK4α+细胞,也能一定程度上逆转其衰老症状。
在这项研究中,Tien Peng教授和他的同事们构建了个细菌人工染色体,在上面将编码p16INK4α的基因与编码绿色荧光蛋白(GFP)的基因融合在一起,并注射到小鼠胚胎中,从而精确、灵敏地在活组织中监测衰老细胞及其p16INK4α表达情况。
利用流式细胞术等技术分析发现,小鼠在2个月大时,已经可以检测到表达荧光蛋白的细胞,且大多属于免疫细胞(CD45+)和成纤维细胞(PDGFRα+)。
A:将p16INK4α和荧光蛋白“绑定”,增加灵敏度;B:表达荧光蛋白(GFP+)的主要是免疫细胞和成纤维细胞
其中,体内和体外实验结果显示,p16INK4α+成纤维细胞表现出衰老特征。例如,具有多个细胞核(成纤维细胞体外培养时的衰老特征)、细胞体积增加、DNA损伤、表达与细胞衰老相关的β-半乳糖苷酶等。更重要的是,其p16INK4α表达水平与细胞周期停滞程度以及小鼠器官衰老程度呈正相关。
p16INK4α+成纤维细胞表现出一系列衰老特征
同时还观察到,在小鼠刚出生不久(3-5天)时,这些p16INK4α+成纤维细胞便驻留在其肺上皮基底膜的干细胞附近。其在肺部成纤维细胞中的数量占比随年龄稳定增长,当小鼠22个月大时达到最大比例(比7天大时增加约2倍)。除了数量占比增多,p16INK4α+成纤维细胞内的p16INK4α表达水平同样随年龄增长而不断提升。
这群衰老细胞就住在小鼠肺上皮基底膜的干细胞附近
另外,在小鼠的小肠、结肠和皮肤等上皮-间质界面处,也有p16INK4α+成纤维细胞的存在。
这些说明,p16INK4α+衰老细胞早早就“驻扎”在小鼠体内,存在于健康、年轻的组织中,且主要分布在上皮-间质界面处。这群位于上皮基底膜的干细胞组成了重要的生物屏障,阻止外来细胞或有害物质进入体内的同时,允许氧气从肺部扩散到其它组织中。
那么,p16INK4α+成纤维细胞聚集在这里有何作用?
衰老细胞的一个关键特征是通过分泌衰老相关分泌表型(SASP)来影响自己的邻居细胞们。而研究者们发现,p16INK4α+成纤维细胞的SASP竟然有妙用。
研究结果显示,在体外与肺上皮干细胞共培养时,小鼠来源或人源的p16INK4α+成纤维细胞能够分泌生长因子EREG促进干细胞生长;而不表达p16INK4α的成纤维细胞则没这个能力。同时,在NF-κB信号通路的介导下,p16INK4α+成纤维细胞能够敏锐感知到炎症刺激。如果使用药物使得小鼠肺上皮组织损伤,或者用脂多糖(细菌壁组成成分)模拟细菌感染,p16INK4α+成纤维细胞则会分泌更多的SASP,这进一步加强了p16INK4α+成纤维细胞促进干细胞生长的能力。
p16INK4α+成纤维细胞(GFPlo;GFPhi)能够促进干细胞再生
值得注意的是,依赖于p16INK4α蛋白的表达,这些衰老细胞对于肺上皮组织屏障修复至关重要。他们首先使用药物刺激导致小鼠肺上皮组织受损,然后再给小鼠用开头提到的Senolytic药物组合达沙替尼+槲皮素(D&Q)来“治疗”。
结果显示,D&Q确实有效减少了这些衰老细胞的数量,但与此同时,小鼠肺上皮组织中由p16INK4α+成纤维细胞分泌的生长因子水平降低,干细胞再生能力严重缺陷,导致肺上皮屏障修复能力下降。
D&G治疗导致p16INK4α+成纤维数量减少(G-I),但同时也减少了干细胞再生(J-L)
总体而言,Tien Peng教授和他的同事们发现,部分衰老细胞在生命早期便存在于肺上皮基底膜等上皮-间质界面处,这些表达p16INK4α的成纤维细胞像“哨兵”一样监测着生物屏障完整性,感知并快速响应炎症刺激,促进干细胞再生。