亮点
• IL-4通过STAT6通路驱动多能祖细胞向淋巴细胞分化
• FLT3与IL-4信号协同增强MPPs中的STAT6激活
• IL-4抵消炎症诱导的髓系偏向，恢复淋巴细胞生成
• IL-4治疗可使衰老的造血功能恢复活力并改善全身功能
摘要
慢性炎症和衰老使造血偏向髓系细胞生成，而减少了淋巴细胞输出。我们筛选了2型和抗炎细胞因子，以确定能够恢复造血干细胞和祖细胞(HSPCs)中淋巴细胞系承诺的外在信号。白细胞介素4 (IL-4) 特异性抑制炎症诱导的髓系细胞生成，并将多能祖细胞(MPP)的分化转向淋巴细胞系。IL-4在MPPs中激活了信号转导和转录激活因子6 (STAT6) 依赖的转录程序，增加了淋巴细胞特异性基因的表达。从机制上讲，在MPPs中高表达的受体酪氨酸激酶FMS样酪氨酸激酶3 (FLT3) 与IL-4Rα相互作用，促进STAT6激活。在体内，IL-4逆转了炎症诱导的造血失衡并加速了淋巴细胞恢复。在老年小鼠中，IL-4给药使MPP组成转向淋巴细胞偏向，并恢复了B和T淋巴细胞输出。长期IL-4治疗改善了老年小鼠的免疫、代谢、身体和认知功能；这些恢复活力的效果可通过移植经IL-4处理的HSPCs来重现。促进MPPs中的IL-4信号可能能够纠正炎症和衰老相关条件下的造血失调。
引言
造血，即血液生成的过程，对于维持免疫功能和全身稳态至关重要。髓系细胞生成和淋巴细胞生成之间的微妙平衡会动态地响应生理和环境刺激，如感染、炎症或衰老。这种调节的核心是造血干细胞和祖细胞(HSPCs)，它们是所有血细胞谱系的来源。HSPCs具有层次结构。在这个层次的顶端，长期造血干细胞(LT-HSCs)确保终身血液生产。LT-HSCs首先分化为短期HSCs (ST-HSCs)，也称为多能祖细胞(MPP) 1，然后产生谱系限制的MPP亚群。这些亚群表现出不同的谱系偏向：MPP2主要产生巨核细胞和红细胞，MPP3主要产生粒细胞和单核细胞，而MPP4则偏向于淋巴细胞（包括B和T淋巴细胞）的发育。条形码和单细胞技术的最新进展揭示，MPPs在胎儿发育期间与HSCs平行建立。胚胎建立的MPPs不仅仅是HSCs的下游产物，它们对终身淋巴细胞输出有重要贡献，突显了它们作为造血关键启动者的作用。这种范式转变促使人们更深入地研究不同HSPC亚群中命运决定的调控机制。这些过程受到骨髓微环境来源的内在遗传程序和外在信号之间动态相互作用的调控。这些调控机制通过确保血液细胞的持续生产和对生理需求或病理挑战（如感染或组织损伤）的适应性反应，共同维持造血稳态。
细胞因子是造血的关键调节因子，作为重要的外在信号，在稳态和应激条件下引导HSPC命运。促炎细胞因子如白细胞介素(IL)-1β和肿瘤坏死因子α (TNF-α) 是髓系细胞生成的强力诱导剂，在感染和炎症反应期间驱动粒细胞和单核细胞的产生，以增强先天免疫力。这些细胞因子激活HSPCs中的信号级联和表观遗传修饰，促进髓系谱系分化，同时抑制淋巴细胞承诺。尽管这些机制确保了强大的先天免疫力，但持续的炎症或衰老会破坏造血平衡，使分化偏向髓系细胞生成，而减少淋巴细胞生成。这种不平衡导致免疫功能障碍、慢性炎症以及对感染和代谢紊乱的易感性增加。尽管在理解髓系细胞生成的促炎驱动因素方面取得了进展，但恢复淋巴细胞承诺和在炎症或衰老条件下实现平衡造血的机制尚未完全了解。
2型免疫是免疫系统的关键组成部分，主要参与对蠕虫感染、过敏性炎症和组织修复的反应。它由2型细胞因子调控，包括IL-4、IL-5、IL-9、IL-13、IL-25和IL-33，这些细胞因子主要由T辅助(Th)2细胞、2型先天淋巴细胞(ILC2s)和其他免疫细胞产生。这些细胞因子调节Th2细胞的分化，刺激嗜酸性粒细胞和肥大细胞反应，并驱动抗体类别转换为免疫球蛋白E (IgE)，有助于病原体防御和超敏反应。驱动2型免疫的细胞因子，如IL-4和IL-13，也表现出显著的抗炎特性，这对于维持免疫稳态和限制过度免疫激活造成的组织损伤至关重要。然而，2型和抗炎细胞因子信号在调节炎症条件下的造血（特别是在淋巴细胞命运承诺方面）的作用尚未得到充分定义。
在此，通过体外筛选2型细胞因子以及抗炎细胞因子，我们发现只有IL-4能够通过在HSPCs中促进淋巴细胞生成同时抑制髓系细胞生成来恢复造血平衡。通过使用炎症和衰老模型进行转录组分析和功能测定，我们表明IL-4通过信号转导和转录激活因子6 (STAT6) 依赖的转录机制将MPPs（而非HSCs）重编程为淋巴细胞偏向的命运。进一步分析显示，在MPPs中选择性表达的FMS样酪氨酸激酶3 (FLT3) 与IL-4信号通路协同作用，增强STAT6介导的淋巴细胞生成。值得注意的是，IL-4给药逆转了与炎症和衰老相关的髓系偏向，恢复了淋巴细胞输出，并改善了全身免疫和代谢功能。这些发现突显了IL-4作为纠正炎症和衰老相关条件下造血失调的有希望的治疗候选物。
IL-4促进HSPCs的淋巴细胞生成
为了确定可能促进淋巴细胞生成并抑制髓系细胞生成的潜在外部因素，我们首先使用各种2型细胞因子以及几种抗炎细胞因子进行了筛选，包括IL-4、IL-5、IL-6、IL-9、IL-10、IL-13、IL-25和IL-33。为简化过程，我们利用了一个已建立的体外髓系细胞分化测定法，将分离的LT-HSCs与必要细胞因子一起孵育。
讨论
在本研究中，我们提供了令人信服的证据，证明IL-4通过抵消促炎效应，作为造血的强效调节因子。IL-4在炎症诱导的失调条件下影响造血祖细胞命运的能力尤其值得注意。通过体外和体内分析，我们表明IL-4通过STAT6依赖的转录重编程，将MPP命运从髓系偏向状态转变为淋巴系偏向状态。这种转变有利于...
主要联系人
有关进一步信息、资源和试剂的请求应直接发送给主要联系人，Yi Zhang（[email protected]）。
材料可用性
为本研究目的产生的生物试剂可向主要联系人请求。
数据和代码可用性
年轻和老年HSPCs的RNA-seq数据集从GEO获取：GSE162607。本研究生成的原始和处理后的RNA-seq数据在基因表达综合(GEO)数据库中公开可用（登录号：GEO:...）
致谢
我们感谢Brigham and Women's Hospital的Ting Yan博士分析人类HSPC单细胞RNA测序(scRNA-seq)数据，并感谢BCH FICR-PCMM流动和成像细胞计资源及其主任Viraga Haridas博士，以及哈佛医学院小鼠行为核心及其主任Barbara Caldarone博士的支持。本项目得到了银河研究基金会和霍华德·休斯医学研究所(HHMI)的支持。Y.Z.是HHMI的研究员。
作者贡献
Y.Z.和J.Y.构思了项目；J.Y.设计了实验；J.Y.和Y.W.进行了移植；J.Y.进行了大多数其他实验；J.Y.和Y.Z.讨论并解释了结果并撰写了稿件。
利益声明
Y.Z.和J.Y.是基于本稿件中描述的发现的美国临时专利申请（编号63/942,717）的发明人，该申请涉及减少与衰老相关的功能衰退和改善身体健康的方法和组合物。
关键资源表
试剂或资源 | 来源 | 标识符
-- - | --- | ---
抗体 | |
大鼠抗小鼠CD127 (IL-7Ra)-Apc/cy7 | BioLegend | Cat#135039; RRID: AB_2566160
大鼠抗小鼠CD150 (SLAM)-APC | BioLegend | Cat#115910; RRID: AB_493460
大鼠抗小鼠CD16/32-APC/Cy7 | BioLegend | Cat#101327; RRID: AB_1967102
大鼠抗小鼠CD21/CD35-APC/Cy7 | BioLegend | Cat#123417; RRID: AB_1953274
大鼠抗小鼠CD23-PerCP/Cy5.5 | BioLegend | Cat#101617; RRID: AB_2562923
大鼠抗小鼠CD25-PerCP/Cy5.5 | BioLegend | Cat#102029; RRID: AB_893291
大鼠抗小鼠CD3-APC | BioLegend | Cat#100236; RRID: AB_2561456
参考文献
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- A. Wilson 等, 造血干细胞在稳态和修复期间可逆地从休眠状态切换到自我更新, Cell (2008)
- E.M. Pietras 等, 功能上不同的谱系偏向多能祖细胞亚群在正常和再生条件下控制血液生产, Cell Stem Cell (2015)
- L. Perié 等, 红细胞-髓系分化的分支点, Cell (2015)
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- A.J. Wagers 等, 成体干细胞的可塑性, Cell (2004)
- Q. He 等, 炎症信号调节脊椎动物中造血干细胞和祖细胞的出现, Blood (2015)
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【全文结束】