训练性免疫将造血干细胞衰老与衰老相关性炎症联系起来

《Nature Aging》：Trained immunity links hematopoietic stem cell aging to aging-associated inflammation

　　

训练性免疫（trained immunity）是一种免疫反应增强状态，起始于造血干细胞（hematopoietic stem cells, HSCs），并主要由其髓系子代介导。衰老相关性炎症驱动多种衰老相关疾病，但其生物学起源在很大程度上仍不清楚。该研究显示，在线粒体去乙酰化酶SIRT3于HSCs中高表达、但在衰老过程中降低的背景下，SIRT3能够抑制HSCs对衰老的应答，从而抑制驱动适应不良性训练性免疫、慢性炎症和组织功能下降的过程。HSCs中过表达SIRT3不仅能够改善衰老相关的HSC功能衰退，还可通过具有炎症程序被调节的髓系细胞，改善远端组织功能，包括减轻与年龄相关的认知和运动能力下降。上述发现揭示，HSC衰老通过适应不良性训练性免疫驱动衰老相关性炎症，并拓展了靶向HSCs的潜在临床应用范围，使其从血液系统疾病延伸至对抗衰老相关生理功能衰退并改善健康寿命。

该研究发表于《Nature Aging》，核心问题是解释衰老相关慢性炎症的细胞起源。流行病学研究早已表明，老年个体循环中促炎性细胞因子持续升高，这种低度慢性全身性炎症与认知下降、代谢异常、肌肉衰退及多种衰老相关疾病密切相关。尽管免疫细胞和衰老细胞均被认为参与炎症放大，但炎症究竟由何种上游生物学机制长期驱动，仍缺乏清晰解释。训练性免疫（trained immunity）原本被视为先天免疫系统对既往刺激形成的“记忆样”增强反应，其关键起点位于骨髓中的造血干细胞（hematopoietic stem cells, HSCs）。另一方面，HSC衰老本身具有髓系偏倚分化、再生能力下降、代谢紊乱和表观遗传重编程等特征，这些改变与训练性免疫的基本属性高度相似。基于此，研究人员提出：HSCs在整个生命周期中持续感受内源性或外源性损伤刺激，可能诱导一种适应不良性训练性免疫，并由此成为衰老相关炎症及远端组织功能下降的重要源头。研究进一步聚焦长寿调控因子SIRT3。SIRT3是线粒体NAD⁺依赖性去乙酰化酶，在HSCs中高表达，但在人和小鼠衰老过程中下降，已知其可通过限制活性氧（reactive oxygen species, ROS）维持HSC静息性与存活。因此，本研究旨在阐明SIRT3是否通过抑制HSC层面的训练性免疫和炎症重编程，减轻全身衰老表型。

在方法层面，研究人员主要采用了条件性Sirt3过表达小鼠模型，包括造血系统特异性Mx1-T3和髓系特异性LysM-T3模型；结合β-葡聚糖（β-glucan）诱导经典训练性免疫、脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）二次刺激、竞争性与非竞争性骨髓移植、老年与青年脾细胞及分选T细胞/髓系细胞过继转移、行为学与代谢表型评估等体系。分子机制方面，研究使用流式细胞术、RNA测序（RNA-seq）、开放染色质测序（ATAC-seq）、单核ATAC测序（single-nuclei ATAC-sequencing）以及Cut&Tag测序分析HSCs及其祖细胞的转录与表观遗传状态。样本来源主要为不同年龄阶段的小鼠骨髓、脾脏、外周血及远端组织。

在研究结果上，论文首先以“SIRT3 suppresses HSC response to classic trained immunity, acute inflammation and tissue functional decline”为题，证明SIRT3可抑制经典训练性免疫。研究人员在3月龄Mx1-T3小鼠中发现，β-葡聚糖处理后HSC内ROS水平下降、增殖减弱、髓系偏倚多能祖细胞3（multipotent progenitor 3, MPP3）比例降低，且外周血髓系偏倚分化减轻。在β-葡聚糖训练后再给予LPS刺激时，Mx1-T3小鼠血清TNF和IL-6下降，倒悬筛网实验中的肌肉功能得到保留。离体分化及髓系特异性过表达实验进一步说明，SIRT3对训练性免疫的抑制主要发生在HSC阶段，而非成熟髓系细胞阶段。

其次，在“SIRT3 suppresses HSC response to aging, aging-associated chronic inflammation and tissue functional decline”部分，研究人员检验SIRT3对自然衰老过程中HSC改变的调控。2年龄Mx1-T3小鼠来源HSC在竞争性移植中表现出更强重建能力，且二次移植后仍保持优势；同时ROS下降、增殖减少、细胞死亡减少，并在5-fluorouracil打击后具有更高生存率。表型上，老年Mx1-T3小鼠骨髓中MPP3减少，外周血年龄相关髓系偏倚显著缓解，伴随淋巴细胞计数增加。循环炎症因子TNF与IL-6下降，远端组织中CD68⁺巨噬细胞减少，跑台耐力和倒悬能力改善，说明SIRT3减轻了HSC对衰老的异常应答及其全身性后果。

第三部分“SIRT3 overexpression in HSCs improves the function of distant tissues”通过骨髓移植明确HSC是系统获益的来源。研究人员将Mx1-T3或对照小鼠骨髓移植入年轻野生型（wild-type, WT）受体，随后将受体自然衰老至2年。结果显示，接受SIRT3过表达HSCs的受体在远端组织中具有更少的CD68⁺巨噬细胞、F4/80⁺组织驻留巨噬细胞和CCR2^high炎症性单核细胞，且CD68⁺细胞中IL-6高表达比例下降。功能上，这些动物肌肉耐力和抓附能力增强；肌肉RNA-seq显示细胞外基质组织、伤口愈合、细胞与器官生长以及负向调控细胞因子生成和免疫反应等程序富集；Barnes迷宫提示空间记忆改善趋势并在目标象限搜索比例升高；开放场和高架十字迷宫显示新环境运动活性增强；葡萄糖代谢改善；肺泡增大减轻；同时p16和衰老相关β-半乳糖苷酶（senescence-associated β-galactosidase, SA-β-gal）等衰老标志物下降。该部分说明，调控HSC衰老可重塑多器官衰老表型。

第四部分“SIRT3 overexpression in HSCs improves the function of distant tissues through myeloid cells”进一步解析远端效应的介质。研究人员首先证明，老年WT小鼠脾细胞过继转移至年轻WT受体后，即可升高血清IL-6，增加组织巨噬细胞及其IL-6表达，并造成肌肉功能和葡萄糖代谢受损。以中和抗体阻断IL-1β后，上述炎症扩增和组织功能损害明显逆转，提示老年免疫细胞可触发系统性炎症级联。随后，研究人员将来源于接受Mx1-T3或对照HSC重建并衰老至2年的小鼠脾细胞转移至年轻受体，发现SIRT3-HSC来源脾细胞可减轻组织炎症、改善运动和代谢功能并减少肺泡扩大。进一步分离T细胞与髓系细胞后发现，仅髓系细胞转移能够再现这种差异，而T细胞组间无明显区别，说明HSC衰老主要通过产生炎症性髓系后代损害远端组织，而SIRT3可使其转变为更具调节性的表型。

第五部分“SIRT3 suppresses aging-associated epigenetic inflammatory training in HSCs”从机制上将线粒体稳态、表观遗传重塑与训练性免疫联系起来。老年Mx1-T3小鼠HSC的RNA-seq显示，线粒体相关基因如Nd4、Cytb、Nd1、Cox7a2、Ndufa6、Tomm7、Nd2和Timm8b表达升高；通路分析提示氧化磷酸化、谷胱甘肽代谢、寿命调控以及NF-κB和TNF信号富集。ATAC-seq结果显示，SIRT3调控的差异开放染色质区域富集于髓系生成、炎症反应和代谢相关通路，提示其在表观遗传层面抑制髓系偏倚及炎症训练。单核ATAC测序进一步鉴定出11类谱系阴性骨髓细胞群，显示老年Mx1-T3小鼠中髓系祖细胞比例下降、共同淋巴祖细胞（common lymphoid progenitor, CLP）比例上升，与衰老相关髓系偏倚减轻一致。对H3K4me3和H3K18la这两类与先天免疫记忆相关的表观遗传标记进行Cut&Tag测序后发现，差异占据区域显著富集于TNF超家族细胞因子生成、IL-6介导信号、LPS介导信号、Toll样受体信号、细胞因子生成、II型干扰素生成及趋化因子介导信号等炎症通路。由此可见，SIRT3通过抑制衰老相关表观遗传性炎症训练，限制HSC进入适应不良性训练性免疫状态。

讨论部分指出，该研究鉴定了衰老相关炎症的一个细胞学起源，即HSC对衰老的应答。HSC衰老不仅导致造血系统自身退化，还可通过产生具有炎症表型的循环髓系细胞，长期损害远端组织功能。SIRT3过表达同时改善HSC功能、降低炎症、减轻细胞衰老并提升肌肉、认知、代谢和肺组织等多器官指标，提示HSC在机体衰老中的作用范围远超传统认识。研究也从长期功能重编程、髓系细胞介导和表观遗传重塑三方面满足了训练性免疫的关键定义，从而支持“衰老诱导的HSC适应不良性训练性免疫”这一概念。论文结论可概括为：SIRT3抑制HSC对经典训练性免疫、急性炎症及衰老的异常应答，限制适应不良性训练性免疫、慢性炎症与组织功能衰退；HSC衰老是衰老相关炎症的重要驱动因素，而靶向HSC及其代谢—表观遗传状态，可能成为改善健康寿命的新策略。