研究亮点
- •老年造血干细胞(HSCs)中的溶酶体过度酸化、受损且功能障碍
- •错误处理的线粒体DNA触发的cGAS-STING信号传导介导了老年造血干细胞的炎症
- •v-ATPase抑制降低了炎症并恢复了老年造血干细胞的代谢稳态
- •溶酶体抑制改善了老年造血干细胞的移植和自我更新能力
摘要
衰老损害造血干细胞(HSCs)，导致克隆性造血、髓系恶性肿瘤和免疫功能下降。溶酶体在HSC衰老中的作用——超越其对自噬的被动介导——尚不明确。我们发现，老年HSCs中的溶酶体过度酸化、耗竭、受损且异常激活。单细胞转录组学和功能分析表明，使用液泡ATP酶(v-ATPase)抑制剂抑制过度激活的溶酶体，可以恢复老年HSCs的溶酶体完整性以及代谢和表观遗传稳态。这种干预通过改善溶酶体对线粒体DNA的处理并减弱环鸟苷酸-腺苷酸合成酶-干扰素基因刺激物(cGAS-STING)信号传导，减少了炎症和干扰素驱动的程序。值得注意的是，体外溶酶体抑制使老年HSCs的体内重constitution能力提高了八倍以上，并改善了它们的自我更新能力。因此，溶酶体功能障碍成为HSC衰老的关键驱动因素。靶向过度激活的溶酶体使老年HSCs恢复到年轻状态，为恢复老年人造血功能提供了一种有前景的策略。
引言
衰老与干细胞再生能力的下降相关，这损害了组织的完整性和功能。干细胞功能的改变对年龄相关癌症和许多慢性疾病的发生有显著贡献。识别促进干细胞衰老的潜在机制是针对衰老缺陷过程和疾病的重要步骤。
造血干细胞(HSCs)在整个生命过程中自我更新并产生血液。随着年龄增长，长寿的HSCs表现出急剧的功能下降，而其数量却增加。老年HSCs的缺陷是由一系列内在和外在因素共同导致的，这些因素一起降低了老年HSCs的再生能力。在年轻个体中，与大多数成体干细胞一样，HSCs主要是静息的，这种特性与其效力程度形成悖论性关联，这最优地定义为HSCs在特定体内移植环境中（当动物的血液形成被消除时）完全重建血液的能力。静息状态使HSCs能够维持组织稳态，并保护HSCs在它们一生中修复缺陷和受损组织的能力。随着年龄增长，相当一部分HSCs失去静息状态，变得激活但功能受损。HSCs的激活与体细胞突变负荷增加、克隆性HSC优势以及参与血液形成的老旧干细胞池多样性减少相关。此外，老年HSCs的血液谱系产生不平衡，偏向于髓系细胞产生，这一过程在小鼠和人类之间保守，部分原因是由于被称为微环境(niche)的骨髓微环境的年龄相关缺陷。这些异常导致老年人免疫缺陷、贫血以及髓系恶性肿瘤发病率增加。多种内在异常（除了细胞周期激活外）导致老年HSCs的异常功能，包括表观遗传失调、端粒缩短、氧化应激、基因组不稳定性、DNA损伤修复能力下降和受损DNA积累、细胞极性丧失、受损-应激-线粒体，以及涉及自噬缺陷的代谢和蛋白质稳态改变。骨髓微环境中一系列因素的年龄相关缺陷，包括炎症增加，对HSCs随年龄逐渐出现的缺陷有关键影响。靶向其中一些有害过程，或使用多能干细胞进行重编程，在恢复老年HSCs的年轻特性方面已取得部分成功。其中，激活自噬被认为可以改善老年HSCs的健康。然而，能够恢复老年HSCs自我更新潜力同时增强其再生能力的干预措施仍有待开发。
溶酶体是细胞内降解和清除受损或老旧大分子和细胞器的中心。因此，溶酶体介导内吞作用、吞噬作用以及对营养剥夺等应激源的自噬自降解过程。溶酶体还在细胞内提供储存设施，并作为信号枢纽发挥作用，部分原因是提供了一个招募和激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1(mTORC1)的平台，mTORC1是细胞代谢的关键调节因子。溶酶体酶的特异性突变是溶酶体贮积症(LSDs)的原因，这会导致神经退行性和代谢疾病。新兴证据表明，溶酶体对调节细胞静息状态至关重要，在HSC分裂过程中不对称分配，并积极动态地影响成体干细胞中的自噬和降解输出。
我们最近发现，受调控的缓慢溶酶体降解过程对小鼠HSC的效力、静息状态和代谢至关重要，这一程序在人类HSCs中也保守存在。这些结果引发了可能性：潜在的有害溶酶体功能可能与年龄直接相关，并直接参与HSC衰老。然而，溶酶体对HSC衰老的贡献（如果有的话），区别于其对自噬的被动介导，尚不明确。在此，我们调查了这些问题。我们的发现表明，老年HSCs中溶酶体特性和功能发生改变。这些溶酶体功能障碍导致一系列与年龄相关的缺陷过程，包括老年HSCs的内在炎症。我们进一步表明，恢复低溶酶体活性使老年HSCs下降的功能（包括自我更新）恢复到年轻状态。这些结果建立并大幅修改了当前对衰老HSCs中自噬的看法。它们还表明，抑制溶酶体活性可能被探索用于促进HSC长寿和健康。
节选部分
线粒体膜电位低的老年HSCs相对富含高效力HSCs
正如预期，从22-24月龄小鼠（即老年HSCs）中分离的HSCs在表面表现出升高的SLAM标志物CD150水平（图S1A）（年轻组平均荧光强度[MFI]为1939，老年组为3213，p=0.00065），且表型长期（LT）-HSCs（Lin− Sca1+ cKit+ [LSK] CD48− CD150+）的频率比年轻HSCs（8周龄）高约4倍（图S1B）。
我们使用线粒体膜电位（MMP）来分离具有不同效力的HSC亚群。
讨论
在此，我们展示了溶酶体在老年HSCs中功能障碍。我们还发现，溶酶体功能障碍是老年HSCs失去静息状态和效力的关键驱动因素。静息状态对维持HSC效力至关重要。溶酶体缓慢降解模式对调控小鼠和人类HSCs的静息状态和效力至关重要。我们发现，虽然溶酶体数量减少，但老年HSCs中的溶酶体高度酸化、受损，且其降解能力增强。
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