综述：造血干细胞的衰老及干预机会

《Experimental Hematology》：Hematopoietic Stem Cell Senescence and Opportunities for Intervention

造血干细胞衰老由遗传不稳定、表观遗传重编程、微环境改变及代谢紊乱等多因素共同作用，表现为自我更新能力下降、分化异常及再生潜力受损，并伴随p16、SA-β-gal等标志物表达升高。干预策略需区分静息与衰老状态，靶向清除衰老细胞或恢复代谢稳态。

　　

阿迪蒂亚·巴尔韦（Aditya Barve）|普丽蒂·达巴斯（Preeti Dabas）|特里·凯恩（Terri Cain）|香农·麦金尼-弗里曼（Shannon McKinney-Freeman）

美国田纳西州孟菲斯市圣裘德儿童研究医院（St. Jude Children’s Research Hospital）血液学系

摘要

目前对于造血干细胞（HSCs）中衰老状态的机制了解尚不完全，这一过程可能是由内在和外在因素的复杂相互作用共同调控的，例如基因不稳定、表观遗传重编程、干细胞微环境的改变以及代谢失调。衰老的累积可能导致HSCs的功能衰退，表现为自我更新能力下降、分化能力受损、造血再生潜能减弱、功能异常的HSC克隆扩增，以及对血液系统疾病的易感性增加。最近的研究进展加深了我们对导致HSCs衰老的分子特征和信号通路的认识，为改善与年龄相关的造血功能障碍和恶性肿瘤提供了有希望的治疗靶点。本文综述了在稳态和病理条件下可能促使HSCs衰老的内在和外在因素，并总结了可用于缓解衰老并恢复衰老过程中造血功能的策略。

引言

细胞衰老是一种基本的应激反应机制，参与胚胎发育、伤口愈合、免疫反应以及衰老过程。与细胞凋亡类似，它作为一种保护机制，促使受损细胞退出细胞周期，从而避免恶性转化¹。细胞衰老最早由海弗利克（Hayflick）和穆尔黑德（Moorhead）在20世纪60年代发现并定义，指的是原代人类细胞在体外长时间复制后分裂能力受限或最终出现不可逆的生长和增殖停滞²。这种被称为复制性衰老的现象后来被证实是由端粒逐渐缩短引起的³。如今我们认识到，衰老是一种稳定的细胞周期停滞状态，可由多种应激因素触发，包括DNA损伤、氧化应激、致癌基因激活、感染、炎症和端粒磨损⁴。这种新的细胞状态通常伴随着基因表达、代谢活动、染色质重塑的变化，以及对凋亡的抵抗性；同时，衰老细胞常常会获得一种衰老相关分泌表型（SASP），表现为促炎细胞因子的分泌增加，这些因子会吸引免疫细胞，影响局部微环境，并在组织中传播衰老特征⁵。值得注意的是，随着年龄的增长，衰老细胞会在全身积累，这与组织功能的衰退相伴随，表明衰老是体内衰老的直接原因，而不仅仅是体外长期培养的技术性结果⁶。

类似于复制性衰老，其他类型的早衰（如由致癌基因激活、靶向治疗或疾病病理引起的早衰）也曾被认为是一种不可逆的生长停滞状态。然而，随着对体内细胞衰老机制理解的深入，我们逐渐认识到，进入衰老状态并不一定是永久性的终点，而是一种可能需要持续暴露于维持衰老的分子机制下的暂时性细胞状态⁷。事实上，受到上述因素刺激而进入早衰状态的细胞已被观察到能够重新进入细胞周期并恢复增殖，但它们与从未进入衰老状态的细胞存在根本差异，这表明它们可能向一种新的、具有独特功能和临床后果的衰老后状态演变^8-11。利用衰老报告基因小鼠进行的研究表明，在多种组织中，并非所有衰老细胞都处于永久性停滞状态；有些细胞会以组织特异性的方式退出衰老并恢复增殖^12-14。此外，还有研究表明，在严重急性损伤或SASP因子作用下，正常细胞也会出现“短暂”衰老现象，这种衰老会在阻断SASP信号通路或清除附近的衰老细胞后消退^15-21。现代意义上的衰老已不再被视为一种单一的、普遍存在的细胞状态或不可逆的二元转换，而是一个随着时间推移逐渐发展的连续过程，涉及代谢、细胞形态和表观遗传重组的变化，最终发展为完全成熟的衰老和不同程度的生长停滞。

自海弗利克和穆尔黑德的开创性发现以来，我们认识到与衰老相关的组织功能障碍往往与特定组织干细胞的再生潜能下降有关。这一现象已在包括造血系统在内的多种组织中得到证实²²。事实上，超过20%的85岁以上人群会出现贫血和特发性细胞减少症。这些变化通常与慢性炎症有关，也与衰老过程中造血干细胞和祖细胞（HSPCs）的增殖能力下降一致²³。老年人由于免疫组成和功能的改变（“免疫衰老”），如髓系细胞过度生成、B细胞和T细胞数量减少以及胸腺萎缩，更容易受到感染²⁴。这些变化部分是由HSCs本身的内在变化引起的，包括炎症反应的改变、淋巴细胞生成潜能的减弱，以及衰老过程中HSPCs的组成和分化路径的改变²⁵。衰老的HSCs在移植后表现出骨髓归巢能力下降、造血重建潜力减弱以及偏向髓系的分化倾向²⁶。因此，衰老相关的造血系统衰退与HSCs再生潜能的下降密切相关，这可能是由于HSCs因终末分化、凋亡或细胞衰老而脱离干细胞池所致。本文将总结我们目前对导致HSCs生理性衰老的因素的理解，并介绍具有恢复HSCs潜能的衰老靶向治疗策略。

需要强调的是，HSC的静息状态（或休眠状态）与衰老状态并非仅仅是同一细胞状态在不同“准备程度”上的差异。实际上，静息和衰老代表了两种不同的细胞状态，具有不同的表型，由不同的分子机制驱动。静息状态，即可逆的细胞周期停滞，是许多HSC在稳态造血过程中的典型特征²⁷。从静息状态激活通常会导致干细胞潜能的丧失，并可能最终导致细胞耗竭^28,29。深度静息（或休眠）的HSCs在体内表现出最强的造血重建能力。这些细胞在体内脉冲追踪实验中显示出极低的生物合成活性和持久的标记保留能力^30-32。重要的是，静息的HSCs可以在外部信号的刺激下迅速激活，并通过包括FoxO家族转录因子、mTORC1、表观遗传因素和外部微环境相互作用在内的复杂网络重新进入细胞周期^33-36。休眠的HSCs激活速度较慢，但也可以被招募进入细胞周期并产生血液，之后再次进入静息状态。

相比之下，衰老是由细胞应激引起的细胞周期停滞状态，无法通过外部信号逆转³⁷。因此，衰老的HSCs无法有效增殖和产生血液，这与休眠的HSCs形成鲜明对比。最初在培养的成纤维细胞中发现这一现象后，多项研究表明，包括HSCs在内的组织特异性干细胞也会经历细胞衰老，从而导致与衰老相关的造血功能障碍^38-44。一般来说，衰老细胞具有共同的分子特征，如细胞周期抑制因子的表达增加（如p16INK4A、p21CIP1、p53和视网膜母细胞瘤蛋白RB），以及与衰老相关的β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）活性升高，同时还表现出对凋亡的抵抗性^45-50。它们还常常出现染色质异常，如衰老相关的异染色质聚集或多倍体现象，并可能以组织特异性方式分泌SASP细胞因子^51,52。SASP被认为可以增强免疫细胞的识别能力，加速衰老细胞的清除⁵³。然而，当衰老细胞积累到一定程度时，会超出免疫系统的清除能力，导致衰老表型在邻近细胞和组织中扩散⁵⁴。免疫系统的衰老也会影响衰老细胞的清除，进一步促进衰老细胞的积累和造血系统的老化⁵⁵。

p16的表达增加是衰老的一个关键标志，在许多组织中随年龄增长而显著升高^42,56。衰老的HSCs会显著上调p16的表达，其缺失可以逆转体内造血重建能力的衰老相关缺陷，突显了衰老在HSC衰老相关功能障碍中的作用⁴¹。其他研究表明，敲除CDKN2A或消除表达p16的细胞可以提高其他组织特异性干细胞的再生潜能和健康状况，但也会增加它们发生恶性转化的风险，这表明衰老在保护组织和干细胞完整性方面起着重要作用^39-41。衰老相关的功能障碍和生理性衰老还会导致HSCs对凋亡的抵抗性增强，这可能是通过上调BCL2和BCL-XL等抗凋亡蛋白实现的⁵⁷。与其他组织相比，HSCs中的衰老现象在文献中关于表型和功能的信息较为分散。本文将回顾我们目前对HSC衰老的理解，讨论干预性治疗策略，并探讨未来深化衰老过程中HSC生物学研究的方向。

部分内容摘录

基因组完整性

生理性细胞衰老的一个关键驱动因素是细胞和氧化应激的增加，这会导致生命过程中DNA损伤的逐渐积累^58,59。HSCs持续暴露于内源性（活性氧[ROS]、DNA复制应激、端粒磨损）和外源性基因毒性应激源，这些因素会引发DNA损伤，表现为DNA链断裂标志物（如磷酸化组蛋白H2AX [γH2AX]灶和彗星尾矩）随年龄增长而增加⁶⁰

结论与未来展望

HSCs再生的进展取决于明确区分静息状态和衰老状态——这两种状态虽有重叠但本质不同。静息状态是可逆的、信号依赖性的，对长期再生能力至关重要；而衰老状态则表现为永久性的细胞周期停滞，伴有溶酶体SA-β-gal活性升高、对凋亡的抵抗性增强以及衰老相关的异染色质形成^{33-35,45,50,51}。

参考文献

• 1
  黄伟（Huang, W.）、希克森（Hickson, L. J.）、艾林（Eirin, A.）、柯克兰（Kirkland, J. L.）和勒曼（Lerman, L. O.）：《细胞衰老：益处、危害与未知之处》。《自然-肾脏病学评论》（Nat Rev Nephrol）18, 611-627 (2022)。10.1038/s41581-022-00601-z
• 2
  海弗利克（Hayflick, L.）和穆尔黑德（Moorhead, P. S.）：《人类二倍体细胞系的连续培养》。《实验细胞研究》（Exp Cell Res）25, 585-621 (1961)。10.1016/0014-4827(61)90192-6
• 3
  哈利（Harley, C. B.）、富彻（Futcher, A. B.）和格雷德（Greider, C. W.）：《人类成纤维细胞衰老过程中的端粒缩短》。《自然》（Nature）345, 458-460 (1990)。10.1038/345458a0
• 4
  阿朱拉巴迪（Ajoolabady, A.）等人

作者贡献

AB、PD和SMF参与了概念的提出。AB和PD撰写了初稿。SMF审阅并编辑了手稿。TLC制作了图表。所有作者均阅读并批准了最终版本的手稿。所有作者都充分参与了这项工作，并同意对工作的所有方面负责。

资金支持

本研究得到了美国国立卫生研究院（National Institute of Health）的R01HL168893资助以及美国黎巴嫩-叙利亚联合慈善机构（ALSAC）的支持。