衰老线粒体通过α-酮戊二酸代谢调控干细胞生态位更新的机制研究

本研究揭示了肠道干细胞(ISCs)中线粒体年龄不对称分配产生的代谢异质性：富含衰老线粒体的ISCmito-O亚群通过增强α-酮戊二酸(aKG)生成，激活TET介导的表观遗传重编程，促进潘氏细胞(PCs)生态位重建。该发现为衰老肠道再生障碍提供了代谢干预新策略，证实aKG补充可显著改善老年小鼠化疗后肠上皮修复能力。

　　

在组织稳态维持和再生过程中，干细胞如何协调代谢与命运决定一直是生命科学领域的核心问题。近年来研究发现，细胞器年龄异质性可能影响细胞命运，但体内证据匮乏。特别是在肠道这类高更新率组织中，Lgr5⁺肠道干细胞(ISCs)产生的潘氏细胞(PCs)构成关键生态位，而衰老个体PCs功能衰退会导致组织再生障碍。这些现象提示，解析干细胞中线粒体年龄与代谢的关联机制，可能为衰老相关组织修复障碍提供新的干预靶点。

赫尔辛基大学(University of Helsinki)的研究团队通过创新性构建SNAPtag-Omp25小鼠模型，首次在体内证实线粒体年龄不对称分配产生的代谢异质性可决定干细胞功能。研究发现约15%的ISC分裂会将衰老线粒体选择性分配至特定子代细胞，形成富含衰老线粒体的ISC^mito-O亚群。这些细胞具有独特的aKG代谢特征，通过激活TET介导的DNA羟甲基化(5hmC)促进PCs分化，从而增强生态位重建能力。该成果发表于《Nature Metabolism》，为代谢干预衰老相关组织再生障碍提供了理论依据。

研究采用多组学技术联用策略：通过SNAP标记实现体内线粒体年龄可视化追踪；利用流式分选结合代谢组学分析ISC^mito-O代谢特征；采用全基因组氧化亚硫酸氢盐测序(WGBS-seq)和酶促5hmC测序解析表观遗传变化；建立老年小鼠化疗损伤模型评估aKG治疗的再生促进作用。

线粒体年龄梯度与干细胞异质性
通过新型SNAPtag-Omp25报告系统，研究发现小肠隐窝-绒毛轴存在明显的线粒体年龄梯度。意外发现位于隐窝上部的ISC^mito-O亚群（占ISC总数9%）富含48小时以上的"衰老"线粒体。活体成像显示15%的ISC分裂在+3/+4位置发生线粒体年龄不对称分配，这种空间分布特征与ISC^mito-O定位高度吻合。

代谢重编程决定生态位重建能力
ISC^mito-O表现出独特的代谢特征：线粒体更碎片化、嵴密度降低但TCA循环速率加快，特别是aKG水平显著升高而2-羟基戊二酸(2HG)降低。体外实验证实aKG可促进ISC^mito-O的类器官形成，这种优势在无PCs共培养时尤为显著，说明其具有生态位自主重建能力。机制上，aKG通过拮抗2HG对TET酶的抑制作用，特异性激活Tet2依赖的DNA羟甲基化。

表观遗传调控PCs命运决定
全基因组5hmC分析发现，ISC^mito-O中Gata4、Fto等PC相关基因位点羟甲基化水平升高。aKG处理可重现这种表观遗传特征，并显著促进PCs新生。值得注意的是，新生的EdU⁺ PCs中Wnt抑制剂Notum表达降低，这可能是其功能年轻化的关键。

代谢干预促进衰老肠道再生
在老年小鼠(≥18月龄)中，持续3周的aKG处理使PCs更新率提高2倍，并显著缓解5-FU化疗引起的体重下降和绒毛萎缩。这种保护作用与新生PCs替代衰老PCs、重建支持性生态位密切相关。

该研究首次揭示线粒体年龄不对称分配产生的代谢异质性可作为干细胞命运决定的"代谢开关"。从转化医学角度看，aKG这种小分子代谢物能特异性促进衰老生态位更新，为化疗防护和衰老相关肠病提供了潜在干预策略。更深远的意义在于，该研究提出的"细胞器年龄-代谢-表观遗传"调控轴可能普遍存在于各类组织干细胞中，为理解衰老过程中代谢与再生的关系提供了新范式。