造血干细胞衰老及其干预机遇
Aditya Barve 1, Preeti Dabas 1, Terri Cain 1, Shannon McKinney-Freeman 1
1 这些作者对本文贡献相同。
综述
摘要
细胞衰老在造血干细胞（HSC）中的表现目前尚不明确，可能由遗传不稳定性、表观遗传重编程、干细胞微环境改变和代谢失调等内在和外在因素的复杂相互作用所调控。衰老的积累可能导致HSC与年龄相关的功能衰退，表现为自我更新能力降低、分化受损、造血再生潜力改变、功能失调的HSC克隆扩增，以及血液系统疾病易感性增加。近期研究加深了我们对HSC衰老分子标志和信号通路的理解，为改善与年龄相关的造血功能障碍和恶性肿瘤提供了有前景的治疗靶点。本文回顾了在稳态和病理条件下可能导致HSC衰老的内在和外在因素，并进一步总结了可用于减轻HSC衰老、在衰老或血液疾病期间恢复造血功能的衰老靶向策略。
引言
细胞衰老是一种基本的应激反应程序，参与胚胎发育、伤口愈合、免疫、疾病病理和衰老，与细胞凋亡一起，作为保护性机制，强制有恶性转化风险的受损细胞退出细胞周期 (1)。细胞衰老最早由Hayflick和Moorhead在20世纪60年代观察并定义，指的是原代人类细胞在长期体外复制培养后出现的“有限分裂能力”或最终不可逆的生长和增殖停滞 (2)。这种被称为复制性衰老的形式，后来被证明是由端粒渐进性侵蚀介导的终末生长停滞 (3)。我们现在认识到衰老是一种稳定的细胞周期停滞，可由多种应激源触发，包括DNA损伤、氧化应激、药物、癌基因激活、感染、炎症和端粒损耗 (4)。这种新的细胞状态通常伴随着基因表达、代谢活性、染色质重塑、凋亡抵抗方面的保守性及组织或应激源特异性变化，并且常常（但不一定）获得衰老相关分泌表型（SASP），表现为促炎细胞因子分泌增加，这些细胞因子吸引免疫细胞，影响局部微环境，并在组织中传播衰老表型 (5)。重要的是，衰老细胞随年龄增长在全身积累，伴随着组织功能的相应下降，这表明衰老是机体衰老的直接贡献者，而非长期体外培养的技术假象 (6)。
与复制性衰老类似，由癌基因激活、靶向治疗或疾病病理等细胞损伤引起的其他类型的早衰也被广泛认为是不可逆的生长停滞状态。随着时间的推移，我们对此概念的理解已显著演变，进入衰老状态并非一个永久终点，而是一个潜在的可逆细胞状态，需要持续暴露于维持衰老的分子机制中 (7)。实际上，由上述细胞损伤驱动进入早衰的细胞已被观察到可以重新进入细胞周期并恢复增殖，但它们与从未进入衰老的细胞有根本不同，表明向一个新的、可能具有独特功能和临床后果的“后衰老”状态的动态进展 (8-11)。利用衰老报告小鼠在稳态衰老过程中的研究已在多种组织中证明，并非所有衰老细胞都保持终末停滞。相反，一些细胞以组织特异性方式退出衰老并恢复增殖 (12-14)。此外，多项研究报告了因严重急性损伤而出现的“短暂”衰老状态，以及由SASP因子在旁观者正常细胞中诱导的旁分泌衰老，这种状态在阻断SASP信号或清除附近衰老细胞后消退 (15-21)。现代观点不能再将衰老视为单一通用的细胞状态或一个总是易于与衰老区分的不可逆二元状态开关，而应视为一个随时间推移、由应激诱导的代谢、细胞形态学和表观遗传重组的渐进性连续体，逐渐发展为具有不同程度和深度的完全特征性衰老和生长停滞。
自Hayflick和Moorhead的开创性发现以来，我们逐渐认识到，依赖于年龄的组织功能障碍通常与组织特异性干细胞的再生潜力下降有关。这在包括造血系统在内的许多组织中已得到体内证实 (22)。事实上，超过20%的个体在85岁时会出现贫血和特发性血细胞减少症。这些变化常与慢性炎症相关，并与衰老过程中造血干细胞和祖细胞（HSPC）增殖能力下降及衰老水平升高一致 (23)。高龄个体由于免疫组成和功能的变化（“免疫衰老”），例如髓系细胞过度生成、B和T淋巴细胞数量减少以及胸腺退化，也更容易受到感染 (24)。这些变化也被认为部分是由HSC随时间推移的内在变化引起的，包括炎症反应改变、淋巴生成潜力受损，以及衰老过程中HSPC组成和谱系轨迹的改变 (25)。在移植时，衰老的HSC还表现出骨髓归巢能力降低、造血重建潜力下降和偏向髓系的分化 (26)。因此，与年龄相关的造血系统衰退是公认的，且与HSC再生潜力受损密切相关，这些HSC因终末分化、凋亡或细胞衰老而离开了干细胞池。本综述将聚焦于目前对导致生理性HSC衰老的因素的理解，并总结具有恢复HSC潜力潜力的靶向衰老疗法。
必须强调，HSC静止（或休眠）和HSC衰老并非仅仅是沿着“准备募集进入细胞周期”这一连续体上的不同细胞状态。相反，静止和衰老代表了不同的细胞状态，具有不同的表型，并由不同的分子过程所维持。静止，即可逆的细胞周期停滞，是稳态造血过程中许多HSC的一个决定性特征 (27)。从静止状态激活通常伴随着干细胞潜能的丧失，并可能导致最终的耗竭 (28, 29)。深度静止或休眠的HSC似乎具有最强大的体内造血重建活性。这些细胞表现出极低的生物合成活性，并在体内脉冲追踪实验中保持持久的标记滞留 (30-32)。重要的是，静止的HSC可以响应外部信号快速激活，并通过包括FoxO家族转录因子、mTORC1、表观遗传因子和外在微环境相互作用在内的复杂内在分子调控网络返回静止状态 (33-36)。休眠的HSC激活较慢，但也能被募集到细胞周期中产生血细胞，然后再返回静止状态。
相比之下，衰老代表一种由细胞应激诱导的细胞周期停滞状态，无法通过外部信号暴露逆转 (37)。因此，衰老的HSC不能再有效地增殖和产生血细胞，这与休眠的HSC形成鲜明对比。自最初在培养的成纤维细胞中描述以来，多项研究已证明包括HSC在内的组织特异性干细胞可以发生细胞衰老，从而促成与衰老相关的造血功能障碍 (38-44)。通常，衰老细胞共享保守的分子标志，包括增加强制细胞周期停滞的细胞周期抑制剂表达，如p16INK4A（CDKN2A的16kDa产物，以下简称p16）、p21CIP1（CDKN1A的21kDa产物，以下简称p21）、p53（TP53的53kDa肿瘤抑制产物）和视网膜母细胞瘤蛋白（RB，由RB1编码），同时溶酶体衰老相关β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）活性升高，并通过上调抗凋亡BCL蛋白来抵抗凋亡 (45-50)。它们通常还表现出染色质异常，包括衰老相关的异染色质灶或多倍体，并可能以组织特异性方式分泌SASP细胞因子 (51, 52)。SASP被认为能增加免疫可见性并加速免疫细胞清除衰老细胞 (53)。然而，当积累的衰老细胞压倒免疫系统的清除能力时，SASP也可能将衰老表型传播给邻近的细胞和组织 (54)。衰老细胞的清除也可能因免疫衰老而受阻，进一步导致衰老细胞积累和随后的造血系统老化 (55)。
p16表达增加是衰老的一个特别重要的标志，其水平在衰老的许多组织中显著升高 (42, 56)。衰老的HSC显著上调p16，耗尽p16可以逆转与年龄相关的体内造血重建能力缺陷，突出了衰老在HSC年龄相关功能障碍中的作用 (41)。其他研究表明，消融CDKN2A或清除表达p16的细胞可以改善其他组织特异性干细胞的再生潜力和健康，但也促进了它们对恶性转化的易感性，表明衰老保护了组织和干细胞保真度 (39-41)。与年龄相关的功能障碍和生理性衰老也引起HSC对凋亡的抵抗，这可能是通过上调BCL2和BCL-XL实现的，因为抑制这些抗凋亡蛋白可使衰老的HSC恢复活力 (57)。与其他组织相比，HSC中衰老的表现定义尚不充分，关于表型和功能的相关信息散布在涵盖不同研究领域的广泛文献中。在此，我们将回顾目前对HSC衰老的理解、干预性治疗策略，并评论对未来方向的启示，以加深我们对衰老过程中HSC生物学的理解。
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增加，导致生命过程中DNA损伤的渐进性积累 (58, 59)。HSC持续暴露于内源性（活性氧[ROS]、DNA复制应激、端粒损耗）和外源性基因毒性应激源，这些应激源诱导DNA损伤，这可通过DNA链断裂的标志物（磷酸化组蛋白H2AX[γH2AX]灶点和彗星尾矩）随年龄增长而增加得到证实 (60)
结论与未来展望
HSC恢复活力的进展取决于清晰区分静止和衰老，这两种状态重叠但本质上截然不同。静止是一种可逆的、信号依赖的停滞，对于长期再生能力至关重要，而衰老涉及永久性细胞周期停滞，同时伴有溶酶体SA-β-gal活性升高、凋亡抵抗、SASP产生增强以及衰老相关的异染色质形成 (33-35,45,50,51)。由于HSC静止是
参考文献
(此处省略引用列表，保留原文格式)
作者贡献
AB、PD和SMF参与了概念构思。AB和PD撰写了初稿。SMF审阅并编辑了稿件。TLC绘制了图表。所有作者均阅读并批准了最终稿件。所有作者均已充分参与本工作，并同意对工作的各个方面负责。
资助
本研究由美国国立卫生研究院（National Institute of Health）资助R01HL168893及美国黎巴嫩叙利亚联合慈善协会（ALSAC）资助。
利益冲突声明
作者声明与本工作不存在任何利益冲突。
致谢
我们感谢McKinney-Freeman实验室成员进行的深入讨论。
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