京都大学的一项最新研究表明，维持干扰素-γ（IFN-γ）和细胞外信号调节激酶（ERK）/丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路之间的微妙平衡对于在衰老过程中保持肠道干细胞（ISCs）的数量至关重要。这项研究由副教授山本卓也和研究员中岛美五月领导，通过比较年轻和老年小鼠的肠道组织，揭示了这些信号通路在支持干细胞维持方面的关键作用。
肠道上皮是成人体内细胞更新速度最快的组织之一，需要持续且精确地调控肠道干细胞以维持新吸收肠细胞和分泌细胞（如潘氏细胞、杯状细胞、毛细胞和肠内分泌细胞）的生成。这些干细胞受来自干细胞龛和周围免疫细胞产生的生长因子和细胞因子的驱动，多个信号通路严格调控ISC自我更新和分化。
尽管随着年龄增长，肠道环境会发生变化，但ISCs仍能不断产生新细胞以维持这一高周转率，这表明存在保护机制使ISCs免受微环境波动的影响。然而，这些潜在机制尚不完全清楚。
为了了解衰老如何影响ISCs，研究团队分析了年轻（2至4个月大）和老年（22至27个月大）小鼠的肠道组织。小鼠平均寿命约为两年。研究人员使用带有_Lgr5_报告基因的小鼠，这是一种标记ISCs的基因，发现即使在衰老过程中，ISC池仍然得以维持。
组织学分析进一步显示，虽然ISCs的增殖能力没有变化，但祖细胞的增殖能力随年龄下降。此外，他们观察到ISCs向肠内分泌细胞的分化增强，这些细胞产生肠道激素，在调节全身代谢方面起着关键作用。
为了深入了解与衰老相关的改变，研究人员分析了超过10,000个来自年轻和老年肠道的单细胞基因表达谱，以检查其基因表达模式。他们的分析确定了与年龄相关的细胞类型特异性基因表达变化，特别是肠细胞成熟的变化。
此外，他们观察到代谢基因在老年时上调，表明老年肠细胞可能经历了更显著的成熟和代谢适应。这些发现暗示，分化细胞可能比ISCs更容易受到衰老的影响。
为了揭示肠道上皮细胞老化过程中细胞和转录组变化背后的调控机制，研究人员首先通过基因表达作为指标来识别上游因素，确定了MHC II类基因、_Ceacam10_和_Ly6e_作为ISCs的老化标志物，在衰老过程中显著上调。尽管这些基因在老年ISCs中的表达升高，但在单细胞水平上并未相关，这表明涉及多种独立的调控机制。
接下来，研究人员进行了计算机模拟分析，预测上游调控因子，并确定了几种可能参与诱导老化标志物的候选信号通路。为了验证这些通路的作用，他们用已知影响候选通路的生物活性分子处理肠道类器官——培养中的迷你肠道。结果表明，激活IFN-γ信号和抑制ERK/MAPK信号有助于肠道上皮的老化变化。使用小鼠模型，研究人员进一步证实这些信号变化发生在小肠中。然而，这些信号变化对肠道稳态的综合影响尚未完全阐明。
为了研究这些通路的变化如何影响ISCs，研究人员用IFN-γ和iMEK（一种MEK/ERK MAPK信号抑制剂）处理肠道类器官。值得注意的是，iMEK使ISCs进入静止状态，而IFN-γ治疗可以逆转这种状态。此外，他们证明，同时使用iMEK和IFN-γ治疗可以减轻单独使用任一分子引起的类器官损伤，表明这两条信号通路以补偿方式支持类器官的生长和存活。
从机制上看，转录组分析显示IFN-γ逆转了大部分由iMEK引起的全局转录变化，部分通过调控Wnt/β-catenin信号和转录因子Myc实现。相反，iMEK或IFN-γ单独处理会触发肠内分泌细胞和肠细胞的年龄相关变化。这些发现表明，IFN-γ和ERK/MAPK信号之间的平衡对于ISC维持至关重要，但同时也可能驱动分化细胞的年龄相关变化和功能障碍。
这项研究表明，ERK/MAPK和IFN-γ信号之间的相互作用在肠道上皮老化中起着关键作用。研究结果表明，哺乳动物肠道上皮已经进化出一种信号机制，优先保护ISCs，可能以牺牲分化细胞为代价，从而导致身体的年龄相关代谢变化。
恢复ERK/MAPK和IFN-γ信号活动到更年轻的状态，可能是具有最小影响ISCs的抗衰老治疗策略。
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