通过平衡信号通路保护衰老过程中的肠干细胞

京都大学的一项新研究表明，在衰老过程中，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保持肠干细胞（ISCs）的数量至关重要。通过比较年轻和老年小鼠的微生物群落组织，研究人员发现了这些信号通路在支持干细胞维持方面的关键作用。

该研究发表在《细胞报告》（Cell Reports）杂志上。

成人体内，肠上皮具有最高的细胞更新率，需要不断而精确地调节肠干细胞以维持新吸收肠细胞和分泌细胞（包括潘氏细胞、杯状细胞、毛细胞和肠内分泌细胞）的生产。干细胞微环境和周围免疫细胞产生的生长因子和细胞因子驱动多个信号通路，严格调控ISC自我更新和分化。

尽管微生物群落环境随年龄变化，ISC仍然持续生成新细胞以维持这种高周转率，表明存在保护机制使ISC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ISC，研究团队检查了年轻（2至4个月大）和老年（22至27个月大）小鼠的微生物群落组织，这些小鼠的平均寿命约为两年。使用带有Lgr5报告基因（ISC的标记基因）的小鼠，研究人员发现即使在衰老过程中，ISC池仍得以维持。

组织学分析进一步显示，虽然ISC的增殖能力保持不变，但祖细胞的增殖能力随着年龄增长而下降。此外，他们观察到ISC向产生微生物群落激素并在调节全身代谢中起关键作用的肠内分泌细胞的分化增强。

为了深入了解与衰老相关的改变，研究人员分析了来自年轻和老年微生物群落的超过10,000个单细胞的基因表达谱，以单细胞水平检查其基因表达模式。他们的分析确定了细胞类型特异性的与年龄相关的基因表达变化，特别是肠细胞成熟的变化。此外，他们观察到代谢基因在年龄依赖性上调，表明老化的肠细胞可能经历更高级的成熟和代谢适应，相较于年轻同类。

这些发现暗示，已分化的细胞可能比ISC更易受到衰老效应的影响。为了揭示肠上皮中与年龄相关的细胞和转录组变化的调控机制，研究人员首先识别了衰老标记物以定位上游因素，并利用其表达作为指示器。

通过与公共数据集进行整合分析，他们识别出MHC II类基因、Ceacam10和Ly6e作为ISC的衰老标记物，在衰老过程中显著上调。尽管这些基因在老化的ISC中表达升高，但在单细胞水平上并未相关，因此暗示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以预测上游调控因子，并识别了几种可能参与诱导衰老标记物的候选信号通路。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类器官——培养中的迷你微生物群落。

研究结果表明，IFN-γ信号通路激活和ERK/MAPK信号通路失活动导致肠上皮的老化变化。使用小鼠模型，研究人员进一步确认这些信号变化发生在小肠老化过程中。然而，这些信号变化对肠稳态的综合影响仍有待完全阐明。

为了研究这些通路变化如何影响ISC，研究人员用IFN-γ和iMEK（MEK/ERK MAPK信号通路抑制剂）处理肠类器官。值得注意的是，iMEK诱导ISC进入静止状态，而IFN-γ处理可逆转这一状态。此外，他们证明了iMEK和IFN-γ联合处理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iMEK引起的全局转录组变化，部分通过调控Wnt/β-catenin信号通路和转录因子Myc实现。

相反，iMEK或IFN-γ处理分别触发了肠内分泌细胞和肠细胞的与年龄相关的改变。

这些发现表明，尽管IFN-γ和ERK/MAPK信号通路之间的平衡对于ISC维持至关重要，但它们也可能同时驱动已分化的细胞发生与年龄相关的改变和功能障碍。

这项研究表明，ERK/MAPK和IFN-γ信号通路之间的相互作用在肠上皮老化中起关键作用。研究结果表明，哺乳动物肠上皮已经进化出一种信号机制，优先保护ISC，可能以牺牲已分化的细胞为代价，从而导致身体与年龄相关的代谢变化。

恢复ERK/MAPK和IFN-γ信号通路的活动到更年轻的状态，可能代表了一种对ISC影响最小的有前景的抗衰老治疗策略。

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