Cell Stem Cell｜靶向溶酶体紊乱改善老龄个体造血能力

撰文 | 风

衰老与干细胞再生能力下降相关，干细胞功能的降低会引起癌症和许多慢性疾病的发病率随年龄升高。因此，解析干细胞衰老的分子机制是开展衰老相关缺陷过程和疾病治疗的重要前提。造血干细胞（hematopoietic stem cells，HSCs）具有再生能力并维持血细胞稳定。随着年龄增长，长寿命HSCs功能减退但数量增加。在年轻个体中，与大多数成体干细胞类似，HSCs主要处于静息状态，而当需要造血时，HSCs能够重建血液系统（详见BioArt报道：；；）。这种静息状态使HSCs能够维持组织稳态，并在其生命周期中保护修复缺陷和受损组织的能力。相反，随着年龄增长，相当一部分造血干细胞失去静息状态而处于激活和功能受损状态。HSCs的激活与体细胞突变负荷增加、克隆性造血以及衰老干细胞库多样性降低相关【1】。此外，衰老HSCs的血系生成失衡，倾向于髓系细胞生成【2】。这种衰老介导的HSCs异常会导致老年人免疫缺陷、贫血，并增加髓系恶性肿瘤的发病风险。因此，如何增强衰老HSCs再生能力的同时恢复其自我更新潜能值得探讨。

溶酶体是细胞内降解和清除受损或衰老大分子及细胞器的中心。因此，溶酶体在营养缺乏等应激条件下介导内吞、吞噬和自噬降解过程。另外，溶酶体还在细胞中提供储存功能，并作为信号枢纽发挥作用，例如提供平台招募和激活mTORC1。研究表明受到调控的缓慢溶酶体降解过程是小鼠HSCs潜能、静息状态和代谢的关键【3】，提示年龄相关的溶酶体功能受损可能直接与HSCs衰老相关。然而，溶酶体在HSCs衰老中的作用而不同于其在自噬中的被动介导作用尚不清楚。

近日，美国纽约西奈山伊坎医学院细胞、发育与再生生物学系Saghi Ghaffari团队在Cell Stem Cell杂志在线发表题为Reversing lysosomal dysfunction restores youthful state in aged hematopoietic stem cells的研究文章。该研究揭示溶酶体紊乱介导的代谢和转录重塑以及炎症是衰老造血干细胞功能紊乱的重要因素，靶向溶酶体紊乱是改善造血干细胞自我更新和发育潜能的新方向。

既往研究发现低线粒体膜电位（mitochondrial membrane potential，MMP）可以作为依据分选高发育潜力的HSCs【4】。作者在年轻和衰老小鼠骨髓中分选低和高MMP的HSCs。在衰老小鼠，低MMP的HSCs比高MMP的HSCs非分裂细胞比例更高。尽管相比于年轻HSCs，衰老HSCs的线粒体膜电位总体水平降低，但低MMP的衰老HSCs仍保持较高的潜能和静息状态，提示衰老HSCs中低MMP亚群仍相对富含静息状态的干细胞。

随后，免疫荧光和PCR证实衰老HSCs中溶酶体数量减少，且编码溶酶体部分蛋白（cathepsin C and D）和酶表达降低。不仅如此，衰老HSCs中galectin-1增加，提示溶酶体损伤。值得注意的是，尽管数量减少，衰老HSCs溶酶体内酸化程度和降解能力却比年轻HSCs增加。考虑到v-ATPases（vacuolar H+ -adenosine triphosphatase ATPases）对溶酶体酸化和降解能力的重要性，作者使用v-ATPases特异性抑制剂刀豆素A（ConA）处理衰老HSCs，发现ConA抑制溶酶体活性并使溶酶体增大，类似于年轻静息状态HSCs的溶酶体。这些发现表明衰老HSCs中v-ATPases介导的酸化导致溶酶体特性改变。由于溶酶体募集并激活mTORC1，作者发现衰老HSCs中mTOR信号活化，表现为mTOR的溶酶体定位、mTORC1磷酸化以及上游RAGA/B和RHEB表达的增加。相对应的，衰老HSCs糖摄入和糖酵解水平显著增加。相反，ConA处理可以逆转衰老HSCs中增加的mTOR信号通路和糖酵解代谢至年轻静息状态HSCs的水平。另外，Foxo3是调节HSCs静息和潜能的重要转录因子，Foxo3缺陷与HSCs衰老有关【5】。作者同样发现衰老HSCs中Foxo3的表达和核定位降低且Foxo3的上游调控者SIRT1表达也显著降低，而ConA可以恢复Foxo3和SIRT1的表达。总之，这些结果提示衰老HSCs溶酶体缺陷改变了细胞代谢而ConA可以恢复失能的溶酶体。不仅如此，与激活状态对应，衰老HSCs相比于年轻HSCs分裂次数增加，衰老HSCs的高MMP亚群分裂次数也高于低MMP亚群。ConA处理显著降低衰老HSCs的分裂次数，且纠正衰老HSCs子代髓系/淋系比例，提示靶向溶酶体可以改善衰老HSCs的功能减退。

最后，作者发现衰老HSCs中IFN反应显著高于年轻HSCs，表明一种炎症活化状态。由于溶酶体特性和pH状态与线粒体特性有关，分析发现衰老HSCs中线粒体出现超融合现象和线粒体DNA（mtDNA）的释放，而ConA处理可以逆转这种缺陷，提示溶酶体紊乱导致线粒体损伤和线粒体DNA释放。相对应地，作者检测到衰老HSCs中cGAS-STING信号通路的活化，表现为TBK1和IRF3磷酸化和IFNβ表达的增加。相反，STING抑制剂抑制衰老HSCs中IFNβ的表达。不仅如此，STING抑制剂也能增加体内衰老HSCs的再生能力。ConA处理也能抑制衰老HSCs的IFN反应。总之，这些结果表明溶酶体紊乱通过调节线粒体mtDNA介导的cGAS-STING信号通路促进内源性INN炎症反应。

综上所述，这项研究发现衰老造血干细胞中存在溶酶体紊乱，表现为体积减少但酸化和降解能力增加。溶酶体紊乱通过改变细胞代谢和转录状态以及促进mtDNA介导的cGAS-STING信号增强IFN炎症反应，导致衰老HSCs失去静息和发育潜能。同时，抑制溶酶体酸化和降解能力有效改善衰老HSCs的功能，为恢复老龄个体的造血能力提供新的策略。

https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.10.012

制版人： 十一

参考文献

1. Siddhartha, Jaiswal., Benjamin L, Ebert.(2019). Clonal hematopoiesis in human aging and disease.Science, 366(6465), . doi:10.1126/science.aan4673

2. Wendy W, Pang., Elizabeth A, Price., Debashis, Sahoo., Isabel, Beerman., William J, Maloney., Derrick J, Rossi., Stanley L, Schrier., Irving L, Weissman.(2011). Human bone marrow hematopoietic stem cells are increased in frequency and myeloid-biased with age.Proc Natl Acad Sci U S A, 108(50), 20012-7. doi:10.1073/pnas.1116110108

3. Andrew, Murley., Kevin, Wickham., Andrew, Dillin.(2022). Life in lockdown: Orchestrating endoplasmic reticulum and lysosome homeostasis for quiescent cells.Mol Cell, 82(19), 3526-3537. doi:10.1016/j.molcel.2022.08.005

4. Madhusudhanan, Sukumar., Jie, Liu., Gautam U, Mehta., Shashank J, Patel., Rahul, Roychoudhuri., et al.(2015). Mitochondrial Membrane Potential Identifies Cells with Enhanced Stemness for Cellular Therapy.Cell Metab, 23(1), 63-76. doi:10.1016/j.cmet.2015.11.002

5. Matthew R, Warr., Mikhail, Binnewies., Johanna, Flach., Damien, Reynaud., Trit, Garg., Ritu, Malhotra., Jayanta, Debnath., Emmanuelle, Passegué.(2013). FOXO3A directs a protective autophagy program in haematopoietic stem cells.Nature, 494(7437), 323-7. doi:10.1038/nature11895

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