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为解决果蝇中肠衰老起始及机制不明的问题，塞浦路斯大学研究人员开展果蝇中肠干细胞研究，发现年轻果蝇中肠存在异常干细胞聚集，且与衰老和肿瘤相关。该研究为衰老和肿瘤研究提供新视角，值得科研读者一读。
在神奇的微观生物世界里，果蝇（Drosophila）作为一种常见的实验动物，正悄然为我们揭开衰老奥秘的一角。在果蝇的身体中，中肠（midgut）干细胞的变化与衰老和肿瘤的发生密切相关。一直以来，人们都知道干细胞积累和突变引发的肿瘤是果蝇中肠衰老的两个显著特征。按照常规的认知，年轻果蝇的干细胞信号应该是稳定的，到了老年才会出现问题。但事实真的如此吗？
随着研究的深入，科学家们发现，衰老的过程伴随着一系列复杂的变化，比如中肠管腔酸度的降低、免疫功能的衰退、微生物群落的失衡、活性氧（ROS）产生的增加以及 JNK 信号通路的激活等。而且，在衰老的果蝇中肠干细胞中，DNA 损伤修复相关的信号通路会被激活，同时也会出现表观遗传的失调。这些现象都表明，衰老过程中的中肠干细胞经历了许多不为人知的变化。然而，尽管已经有了这么多的发现，中肠衰老究竟何时开始、如何开始，仍然是未解之谜。就像在黑暗中摸索，虽然看到了一些微弱的光亮，但前方的道路依旧模糊不清。
为了深入探究这些问题，来自塞浦路斯大学（University of Cyprus）的研究人员 Constantina Neophytou、Savvas Teloni 等人在《iScience》杂志上发表了一篇题为 “Aberrant enterocyte progenitor clustering as an early life biomarker of Drosophila aging” 的论文。他们通过一系列巧妙的实验，得出了令人惊讶的结论：在果蝇的早期生命中，中肠干细胞就已经出现了异常，这些异常可能是衰老和肿瘤发生的早期预警信号。这一发现就像是在黑暗中点亮了一盏明灯，为我们理解衰老和肿瘤的发生机制提供了新的方向。
在这项研究中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是荧光激活细胞分选（FACS）技术，它就像一个精准的 “细胞分拣员”，能够帮助研究人员从复杂的细胞群体中筛选出特定的细胞；其次是染色质可及性分析（ATAC - Seq），这一技术就像是细胞基因组的 “解码器”，可以让研究人员了解细胞染色质的可及性变化；还有位置效应斑驳检测工具（NotchTSS - 331tubGal80），它能像一个 “信号探测器”，帮助研究人员监测 Notch 基因位点的表观遗传稳定性；另外，研究人员还利用了基因编辑和药物处理等实验手段，来进一步探究细胞变化的机制。
接下来，让我们一起深入了解一下他们的研究结果。
ISCs 在年轻果蝇中就开始聚集，且后中肠是聚集的 “热点区域”
研究人员就像一群敏锐的 “细胞侦探”，为了追踪肠道干细胞（ISCs）的变化，他们使用了三种不同的果蝇品系，分别用不同的标记来观察 ISCs。结果发现，在 4 日龄的果蝇中，就已经出现了由 3 - 6 个细胞组成的 ISC 样细胞簇；到了 30 日龄和 42 日龄，细胞簇的数量和每个细胞簇中的细胞数量都显著增加。而且，雌性果蝇的细胞簇数量比雄性更多，这就像是雌性果蝇的细胞 “聚会” 更热闹一些。进一步研究发现，后中肠的 P1 和 P3/P4 区域是 ISC 样细胞簇形成的 “热点区域”，而前中肠的 A1 区域则相对较少。通过对不同日龄雌性果蝇的观察，发现随着年龄增长，后中肠 Dl 阳性细胞簇明显增加。并且，利用 MARCM 技术发现这些细胞簇并非克隆起源。这一系列的发现表明，果蝇在年轻时，ISC 样细胞就已经开始聚集，而且这种聚集具有区域特异性。
聚集的 ISCs 具有混合身份且倍性增加
研究人员继续深入研究这些聚集的 ISCs，发现它们就像一群 “身份模糊” 的细胞。通过计算不同标记的重叠情况，发现大部分 GFP 表达细胞和 Dl 阳性细胞会同时表达另一种标记，但也有部分细胞处于过渡状态。而且，14 日龄雄性果蝇中，较大的 ISCts - Gal4 UAS - GFP 细胞和 Dl 阳性细胞数量比 4 日龄时更多。对 7 日龄雌性果蝇中肠的检测发现，聚集的 GFP 阳性细胞大多为多倍体，并且这些细胞除了有丝分裂外还存在内复制现象。进一步观察发现，部分 ISC 样细胞还会表达 EB 标记，少量表达 EE/pre - EE 标记，但几乎不表达 EC 标记。这说明这些聚集的 ISC 样细胞具有混合的细胞身份，打破了以往对细胞类型的清晰认知。
高有丝分裂率与 ISC 样细胞聚集紧密相关
在探究细胞聚集的原因时，研究人员发现，ISC 样细胞的聚集似乎与有丝分裂有着千丝万缕的联系。他们将 Dl - Gal4 UAS - GFP 果蝇与不同遗传背景的果蝇杂交，发现不同遗传背景的果蝇中，有丝分裂水平与 ISC 样细胞聚集程度大致对应。就好像有丝分裂是细胞聚集的 “幕后推手”，推动着细胞不断聚集。而且，不仅雌性果蝇的 ISC 样细胞聚集多于雄性，随着年龄增长，两性果蝇 P1 和 P4 区域的有丝分裂细胞以及每个 ISC 样细胞的有丝分裂率都显著增加。对不同细胞簇大小的研究发现，细胞簇中细胞数量≥5 时，每个 ISC 样细胞的有丝分裂率会增加。这一系列研究表明，高有丝分裂率与 ISC 样细胞聚集在年轻和老年果蝇中都紧密相关。
化学调节有丝分裂会影响 ISC 样细胞聚集
为了进一步验证有丝分裂与细胞聚集的关系，研究人员就像一群 “细胞操控大师”，开始对有丝分裂进行化学调节实验。他们给果蝇使用药物和特殊饮食，观察对有丝分裂和 ISC 样细胞聚集的影响。结果发现，给年轻果蝇的后代使用雷帕霉素（rapamycin），短期内对细胞簇形成没有影响，但长期使用会减少 30 日龄和 40 日龄果蝇的有丝分裂和细胞簇形成；使用氟尿嘧啶（Floxuridine）也有类似效果，只是这种影响在 30 日龄和 40 日龄果蝇中更为显著。而通过饮食限制酵母的摄入，会同时减少老年果蝇的有丝分裂和细胞簇诱导，但对 4 日龄果蝇没有影响。这些实验表明，调节有丝分裂可以影响 ISC 样细胞的聚集，而且不同的调节方式在不同年龄段的效果有所不同。
年轻祖细胞中 Notch 通路基因染色质可及性降低和 Notch 基因座位置效应斑驳易导致 ISC 样细胞积累
研究人员猜测，细胞聚集的背后可能还有更深层次的原因，于是他们将目光投向了细胞的基因调控层面。通过对 FACS 分选的年轻中肠祖细胞进行 ATAC - Seq 分析，发现雌性祖细胞的染色质可及性在前后肠差异更大，并且在 Notch 和 TGF - beta 通路的核心成员中发现了差异可及性峰。这表明这些基因的表达可能在区域上存在差异，影响了细胞的命运。为了进一步研究 Notch 基因座的稳定性，研究人员开发了 NotchTSS - 331tubGal80 工具，发现雄性果蝇中 GFP 阳性细胞与 Dl 阳性细胞的共丰度更高，且 14 日龄雄性果蝇比雌性更强。此外，在 EB 中表达 NotchIC 会减少 ISC 样细胞聚集，增加果蝇的整体存活率和感染后的存活率。这一系列研究表明，年轻祖细胞中 Notch 通路基因染色质可及性降低和 Notch 基因座位置效应斑驳可能会导致 ISC 样细胞的积累，而增强 Notch 信号可以改善这种情况。
年轻 ISC 样细胞聚集时表现出增加的 DNA 复制应激
DNA 复制应激在细胞变化中又扮演着怎样的角色呢？研究人员继续深入探索。他们发现，随着果蝇年龄增长，ISC 样细胞中 gH2AvD 和 ATM/ATR 信号强度显著增加，这表明存在 DNA 复制应激（DRS）。而且，DRS 信号的增加与 ISC 样细胞聚集的增加在时间上是一致的。给果蝇喂食 DRS 诱导剂吉西他滨（gemcitabine）和羟基脲（HU）后，发现这两种药物会增加 gH2Av 信号和 ISC 样细胞簇的形成。相反，敲低 His2Av 和 spn - B 会减少 gH2Av 信号和 ISC 样细胞聚集，同时还会降低 Dl 和细胞周期调节因子 Cyclin E（CycE）的表达。进一步研究发现，CycE 过表达会增加 gH2Av 信号，说明 DRS 与 CycE 之间存在正反馈调节，共同促进 ISC 样细胞聚集。这一系列实验揭示了年轻 ISC 样细胞聚集与 DNA 复制应激之间的紧密联系，以及相关的调控机制。
ISC 样细胞聚集与老年果蝇的肿瘤形成相关
研究进行到这里，研究人员开始思考，这些早期出现的 ISC 样细胞聚集现象与老年果蝇的肿瘤形成是否有关系呢？他们将 Dl - Gal4 UAS - GFP 果蝇与不同品系杂交，发现 4 日龄、30 日龄和 42 日龄时 ISC 样细胞的聚集水平与 42 日龄时肿瘤的形成显著相关。而且，90% 的肿瘤出现在后中肠，这与之前发现的 ISC 样细胞聚集的 “热点区域” 相吻合。在 Notch 功能缺失驱动的肿瘤中，随着肿瘤的发展，γH2Av 强度也会增加。这表明 ISC 样细胞可能是老年果蝇中突变驱动的中肠肿瘤的前体，它们的聚集为肿瘤的形成埋下了 “种子”。
综合这些研究结果，研究人员发现，果蝇中肠的发育异常在年轻时就已经开始，这源于 ISC 和 EB 之间存在缺陷的信号传导。这种信号缺陷导致了分子和细胞水平上异质的 ISC 样细胞簇的形成。这些 ISC 样细胞具有混合的 ISC - EB 身份，并且随着年龄的增长，它们的数量会增加，同时伴随着 DNA 复制应激的增加。此外，研究还揭示了有丝分裂、Notch 信号通路、DNA 复制应激与 ISC 样细胞聚集之间的复杂关系，并且发现早期的 ISC 样细胞聚集与老年果蝇的肿瘤形成密切相关。
这项研究的意义重大，它为我们理解衰老和肿瘤的发生机制提供了全新的视角。以往我们可能更多地关注老年个体中出现的问题，而这项研究告诉我们，衰老和肿瘤的 “种子” 可能在早期生命中就已经种下。通过对果蝇的研究，我们可以将这些发现推广到其他生物，为进一步研究人类的衰老和肿瘤防治提供重要的参考。就像为生物医学研究打开了一扇新的大门，让我们看到了更多探索生命奥秘的可能性。未来，我们可以基于这些发现，开发出更有效的干预措施，延缓衰老、预防肿瘤，为人类的健康带来新的希望。
