線粒體對成體干細胞功能的影響

任宇 梁紅宇 楠吉桑漠 劉曉玲

干細胞根據其分化能力分為全能干細胞,如胚胎干細胞(ESCs)和多能干細胞,如成體干細胞。核重編程可將體細胞轉化為與ESCs特性相似的誘導型多能干細胞(iPS)。成體干細胞分布于多種成體組織中,如血液和皮膚等,通過細胞分裂補充代謝過程中死亡的細胞,從而持組織再生及器官的功能。因此,這些組織對成體干細胞功能障礙非常敏感［1］。在有絲分裂后的組織中,如大腦、肌肉,靜息狀態下成體干細胞用于組織生長和修復［1］。在嚙齒類動物中,神經祖細胞在整個生命過程中不斷增殖,從而使大腦嗅球區域生長［2］。人類放射性同位素示蹤研究表明在正常人的生命歷程中很少出現神經發生現象,但疾病或創傷會引起特殊的神經發生現象［3］。成體干細胞及祖細胞增殖能力的減弱不利于組織再生,但過度增殖也會加速干細胞的衰竭。

1 完整的線粒體是維持成體干細胞穩態的必要條件

mtDNA突變小鼠沒有出現線粒體疾病或其他線粒體功能障礙小鼠模型出現的典型癥狀。然而,其卻與由核脫氧核糖核酸(DNA)修復缺陷引起的早衰癥模型小鼠癥狀相似。事實上,這些小鼠表現出的造血、神經和腸干細胞功能障礙起始于胎兒發育早期。此外,受mtDNA突變影響最嚴重的組織就是由成體干細胞積極更新和維護的組織［4］。

野生型小鼠骨髓和突變小鼠造血祖細胞(HPCs)重組導致野生型受體出現嚴重的骨髓抑制。移植年輕突變小鼠的造血干細胞(HSCs)和移植衰老野生小鼠的HSCs效果相似,而移植中年突變小鼠的HSCs會導致粒細胞過表達［5］。在胎兒時期,突變小鼠的紅細胞和淋巴細胞同樣受到影響,不同HPCs群體比例也出現異常［6］。由于HSCs和HPCs功能障礙,突變小鼠在6個月齡時出現致命性貧血,這種癥狀與人類老年性貧血類似。

研究提出不同的野生型線粒體單倍型用于修飾干細胞特性。具有相同核背景但不同線粒體單倍型的小鼠ESCs具有不同的自我更新、分化和線粒體功能的核基因差異表達譜。此外,mtDNA單倍型也改變了ESCs的體外分化能力。

不對稱分裂使干細胞產生兩個不同命運的子細胞。在一項研究中,人乳腺干細胞樣細胞在非對稱分裂過程中線粒體呈現不均勻分配,保留老化線粒體的細胞發生分化,而主要保留年輕線粒體的細胞保持干細胞特性。此外,線粒體分裂抑制線粒體不對稱分離,導致分裂后細胞喪失干細胞特性。這些數據表明維持成體干細胞穩態的是有功能的而非靜止的線粒體。

2 線粒體氧化代謝對成體干細胞功能至關重要

在休眠狀態下,成體干細胞某個亞群會在長時間內處于靜止狀態。這種靜止狀態對于維持干細胞功能非常必要。靜態時干細胞基礎代謝活性最小,僅依靠少數線粒體和糖酵解產生能量即可維持細胞活性。盡管線粒體數量少,線粒體呼吸作用弱,但此時干細胞含有一個功能完整的呼吸鏈。線粒體可能通過減少活性氧(ROS)生成從而降低氧化磷酸化活性來維持成體干細胞靜態和自我更新。ROS是一個活躍的信號分子,并與細胞分化有關。在這些細胞中,低氧環境誘導產生低氧誘導因子(HIF-1α)。HIF-1α是轉錄因子,可以調節細胞和全身缺氧反應,也可以通過轉變代謝的方式使成體干細胞處于靜息狀態［7］。HSCs處于靜息狀態時,HIF-1α上調丙酮酸脫氫酶激酶(PDK)活性,從而降低丙酮酸脫氫酶和丙酮酸無氧乳酸脫氫酶的活性,而非線粒體中的乙酰輔酶A。HIF-1α-/-小鼠的造血干細胞不能進行糖酵解代謝,因而失去增殖活性,但是如果使其過表達PDK2和PDK4便可恢復其再生能力。

3 NAD+通過線粒體沉默調節蛋白去乙酰化酶Sirtuin-3(SIRT3)調節成體干細胞功能

通過激活線粒體沉默調節蛋白改變NAD+/煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)值可以調節細胞營養狀況,且這個比值受代謝活動影響。呼吸作用通過呼吸鏈復合物Ⅰ使NADH氧化為NAD+。因此,在細胞分化過程中代謝類型從糖酵解模式變為氧化模式,從而改變NAD+/NADH值。為了維持干細胞中的糖酵解通量,丙酮酸以NADH作為輔酶將乳酸轉化為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)。研究證明遺傳或藥物抑制煙酰胺磷酸核糖轉移酶(Nampt)生成從而限制了NAD+補救途徑中酶的速率［8］。敲除成年小鼠Nampt可促使神經干細胞增殖。在小鼠海馬組織老化過程中,巢蛋白陽性的靜態神經干細胞中NAD+和Nampt水平均降低。在神經發生過程中,補充Nampt底物煙酰胺單核苷酸(NMN),可以增加基底前腦巢蛋白(Nestin)陽性神經祖細胞的數量。NAD+/NADH值降低使干細胞功能減退。沉默調節蛋白是賴氨酸修飾酰基轉移酶家族的一員,它可以提高NAD+/NADH比值,并以NAD+作為輔酶酰基轉移酶,調控生物體營養物質代謝。同時,SIRT3可以增強超氧化物歧化酶(SOD2)活性并降低線粒體的超氧化物含量。幼年SIRT3-/-小鼠具有正常的造血功能,隨著年齡的增長HSCs增殖活性下降,而老年SIRT3-/-小鼠HSCs 中SIRT3表達上調。叉頭轉錄因子O亞型3(FOXO3)-/-小鼠表現出卵巢早衰和不孕,而過表達組成性激活FOXO3的小鼠生育能力增強、絕經期推遲。因此SIRT3通過去乙酰化作用激活線粒體酶-異檸檬酸脫氫酶2(IDH2),將NADP 轉化為NADPH。

4 小結

成體干細胞對代謝環境的變化極其敏感,代謝狀態的改變使線粒體引導細胞從靜態轉換到激活態,由自我更新轉變為分化狀態［9-13］。線粒體是細胞能量代謝的中心,同時也是細胞營養和能量狀態的重要傳遞者［14-16］。線粒體衰老理論提示線粒體功能障礙導致ROS增加、細胞損傷,并加速細胞衰老。但最近的研究結果與上述假設不同。ROS特別是線粒體產生的過氧化氫(H2O2)和NAD/NADH值是干細胞功能的關鍵信號。因此,線粒體可能介導成體干細胞中氧化還原反應而非組織氧化損傷。