線粒體對成體干細胞功能的影響

任宇 梁紅宇 楠吉桑漠 劉曉玲

干細胞根據(jù)其分化能力分為全能干細胞,如胚胎干細胞(ESCs)和多能干細胞,如成體干細胞。核重編程可將體細胞轉(zhuǎn)化為與ESCs特性相似的誘導(dǎo)型多能干細胞(iPS)。成體干細胞分布于多種成體組織中,如血液和皮膚等,通過細胞分裂補充代謝過程中死亡的細胞,從而持組織再生及器官的功能。因此,這些組織對成體干細胞功能障礙非常敏感［1］。在有絲分裂后的組織中,如大腦、肌肉,靜息狀態(tài)下成體干細胞用于組織生長和修復(fù)［1］。在嚙齒類動物中,神經(jīng)祖細胞在整個生命過程中不斷增殖,從而使大腦嗅球區(qū)域生長［2］。人類放射性同位素示蹤研究表明在正常人的生命歷程中很少出現(xiàn)神經(jīng)發(fā)生現(xiàn)象,但疾病或創(chuàng)傷會引起特殊的神經(jīng)發(fā)生現(xiàn)象［3］。成體干細胞及祖細胞增殖能力的減弱不利于組織再生,但過度增殖也會加速干細胞的衰竭。

1 完整的線粒體是維持成體干細胞穩(wěn)態(tài)的必要條件

mtDNA突變小鼠沒有出現(xiàn)線粒體疾病或其他線粒體功能障礙小鼠模型出現(xiàn)的典型癥狀。然而,其卻與由核脫氧核糖核酸(DNA)修復(fù)缺陷引起的早衰癥模型小鼠癥狀相似。事實上,這些小鼠表現(xiàn)出的造血、神經(jīng)和腸干細胞功能障礙起始于胎兒發(fā)育早期。此外,受mtDNA突變影響最嚴重的組織就是由成體干細胞積極更新和維護的組織［4］。

野生型小鼠骨髓和突變小鼠造血祖細胞(HPCs)重組導(dǎo)致野生型受體出現(xiàn)嚴重的骨髓抑制。移植年輕突變小鼠的造血干細胞(HSCs)和移植衰老野生小鼠的HSCs效果相似,而移植中年突變小鼠的HSCs會導(dǎo)致粒細胞過表達［5］。在胎兒時期,突變小鼠的紅細胞和淋巴細胞同樣受到影響,不同HPCs群體比例也出現(xiàn)異常［6］。由于HSCs和HPCs功能障礙,突變小鼠在6個月齡時出現(xiàn)致命性貧血,這種癥狀與人類老年性貧血類似。

研究提出不同的野生型線粒體單倍型用于修飾干細胞特性。具有相同核背景但不同線粒體單倍型的小鼠ESCs具有不同的自我更新、分化和線粒體功能的核基因差異表達譜。此外,mtDNA單倍型也改變了ESCs的體外分化能力。

不對稱分裂使干細胞產(chǎn)生兩個不同命運的子細胞。在一項研究中,人乳腺干細胞樣細胞在非對稱分裂過程中線粒體呈現(xiàn)不均勻分配,保留老化線粒體的細胞發(fā)生分化,而主要保留年輕線粒體的細胞保持干細胞特性。此外,線粒體分裂抑制線粒體不對稱分離,導(dǎo)致分裂后細胞喪失干細胞特性。這些數(shù)據(jù)表明維持成體干細胞穩(wěn)態(tài)的是有功能的而非靜止的線粒體。

2 線粒體氧化代謝對成體干細胞功能至關(guān)重要

在休眠狀態(tài)下,成體干細胞某個亞群會在長時間內(nèi)處于靜止狀態(tài)。這種靜止狀態(tài)對于維持干細胞功能非常必要。靜態(tài)時干細胞基礎(chǔ)代謝活性最小,僅依靠少數(shù)線粒體和糖酵解產(chǎn)生能量即可維持細胞活性。盡管線粒體數(shù)量少,線粒體呼吸作用弱,但此時干細胞含有一個功能完整的呼吸鏈。線粒體可能通過減少活性氧(ROS)生成從而降低氧化磷酸化活性來維持成體干細胞靜態(tài)和自我更新。ROS是一個活躍的信號分子,并與細胞分化有關(guān)。在這些細胞中,低氧環(huán)境誘導(dǎo)產(chǎn)生低氧誘導(dǎo)因子(HIF-1α)。HIF-1α是轉(zhuǎn)錄因子,可以調(diào)節(jié)細胞和全身缺氧反應(yīng),也可以通過轉(zhuǎn)變代謝的方式使成體干細胞處于靜息狀態(tài)［7］。HSCs處于靜息狀態(tài)時,HIF-1α上調(diào)丙酮酸脫氫酶激酶(PDK)活性,從而降低丙酮酸脫氫酶和丙酮酸無氧乳酸脫氫酶的活性,而非線粒體中的乙酰輔酶A。HIF-1α-/-小鼠的造血干細胞不能進行糖酵解代謝,因而失去增殖活性,但是如果使其過表達PDK2和PDK4便可恢復(fù)其再生能力。

3 NAD+通過線粒體沉默調(diào)節(jié)蛋白去乙?；窼irtuin-3(SIRT3)調(diào)節(jié)成體干細胞功能

通過激活線粒體沉默調(diào)節(jié)蛋白改變NAD+/煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)值可以調(diào)節(jié)細胞營養(yǎng)狀況,且這個比值受代謝活動影響。呼吸作用通過呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ使NADH氧化為NAD+。因此,在細胞分化過程中代謝類型從糖酵解模式變?yōu)檠趸Ｊ?從而改變NAD+/NADH值。為了維持干細胞中的糖酵解通量,丙酮酸以NADH作為輔酶將乳酸轉(zhuǎn)化為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)。研究證明遺傳或藥物抑制煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(Nampt)生成從而限制了NAD+補救途徑中酶的速率［8］。敲除成年小鼠Nampt可促使神經(jīng)干細胞增殖。在小鼠海馬組織老化過程中,巢蛋白陽性的靜態(tài)神經(jīng)干細胞中NAD+和Nampt水平均降低。在神經(jīng)發(fā)生過程中,補充Nampt底物煙酰胺單核苷酸(NMN),可以增加基底前腦巢蛋白(Nestin)陽性神經(jīng)祖細胞的數(shù)量。NAD+/NADH值降低使干細胞功能減退。沉默調(diào)節(jié)蛋白是賴氨酸修飾?；D(zhuǎn)移酶家族的一員,它可以提高NAD+/NADH比值,并以NAD+作為輔酶酰基轉(zhuǎn)移酶,調(diào)控生物體營養(yǎng)物質(zhì)代謝。同時,SIRT3可以增強超氧化物歧化酶(SOD2)活性并降低線粒體的超氧化物含量。幼年SIRT3-/-小鼠具有正常的造血功能,隨著年齡的增長HSCs增殖活性下降,而老年SIRT3-/-小鼠HSCs 中SIRT3表達上調(diào)。叉頭轉(zhuǎn)錄因子O亞型3(FOXO3)-/-小鼠表現(xiàn)出卵巢早衰和不孕,而過表達組成性激活FOXO3的小鼠生育能力增強、絕經(jīng)期推遲。因此SIRT3通過去乙?；饔眉せ罹€粒體酶-異檸檬酸脫氫酶2(IDH2),將NADP 轉(zhuǎn)化為NADPH。

4 小結(jié)

成體干細胞對代謝環(huán)境的變化極其敏感,代謝狀態(tài)的改變使線粒體引導(dǎo)細胞從靜態(tài)轉(zhuǎn)換到激活態(tài),由自我更新轉(zhuǎn)變?yōu)榉只癄顟B(tài)［9-13］。線粒體是細胞能量代謝的中心,同時也是細胞營養(yǎng)和能量狀態(tài)的重要傳遞者［14-16］。線粒體衰老理論提示線粒體功能障礙導(dǎo)致ROS增加、細胞損傷,并加速細胞衰老。但最近的研究結(jié)果與上述假設(shè)不同。ROS特別是線粒體產(chǎn)生的過氧化氫(H2O2)和NAD/NADH值是干細胞功能的關(guān)鍵信號。因此,線粒體可能介導(dǎo)成體干細胞中氧化還原反應(yīng)而非組織氧化損傷。