任宇 梁红宇 楠吉桑漠 刘晓玲

干细胞根据其分化能力分为全能干细胞,如胚胎干细胞(ESCs)和多能干细胞,如成体干细胞。核重编程可将体细胞转化为与ESCs特性相似的诱导型多能干细胞(iPS)。成体干细胞分布于多种成体组织中,如血液和皮肤等,通过细胞分裂补充代谢过程中死亡的细胞,从而持组织再生及器官的功能。因此,这些组织对成体干细胞功能障碍非常敏感［1］。在有丝分裂后的组织中,如大脑、肌肉,静息状态下成体干细胞用于组织生长和修复［1］。在啮齿类动物中,神经祖细胞在整个生命过程中不断增殖,从而使大脑嗅球区域生长［2］。人类放射性同位素示踪研究表明在正常人的生命历程中很少出现神经发生现象,但疾病或创伤会引起特殊的神经发生现象［3］。成体干细胞及祖细胞增殖能力的减弱不利于组织再生,但过度增殖也会加速干细胞的衰竭。

1 完整的线粒体是维持成体干细胞稳态的必要条件

mtDNA突变小鼠没有出现线粒体疾病或其他线粒体功能障碍小鼠模型出现的典型症状。然而,其却与由核脱氧核糖核酸(DNA)修复缺陷引起的早衰症模型小鼠症状相似。事实上,这些小鼠表现出的造血、神经和肠干细胞功能障碍起始于胎儿发育早期。此外,受mtDNA突变影响最严重的组织就是由成体干细胞积极更新和维护的组织［4］。

野生型小鼠骨髓和突变小鼠造血祖细胞(HPCs)重组导致野生型受体出现严重的骨髓抑制。移植年轻突变小鼠的造血干细胞(HSCs)和移植衰老野生小鼠的HSCs效果相似,而移植中年突变小鼠的HSCs会导致粒细胞过表达［5］。在胎儿时期,突变小鼠的红细胞和淋巴细胞同样受到影响,不同HPCs群体比例也出现异常［6］。由于HSCs和HPCs功能障碍,突变小鼠在6个月龄时出现致命性贫血,这种症状与人类老年性贫血类似。

研究提出不同的野生型线粒体单倍型用于修饰干细胞特性。具有相同核背景但不同线粒体单倍型的小鼠ESCs具有不同的自我更新、分化和线粒体功能的核基因差异表达谱。此外,mtDNA单倍型也改变了ESCs的体外分化能力。

不对称分裂使干细胞产生两个不同命运的子细胞。在一项研究中,人乳腺干细胞样细胞在非对称分裂过程中线粒体呈现不均匀分配,保留老化线粒体的细胞发生分化,而主要保留年轻线粒体的细胞保持干细胞特性。此外,线粒体分裂抑制线粒体不对称分离,导致分裂后细胞丧失干细胞特性。这些数据表明维持成体干细胞稳态的是有功能的而非静止的线粒体。

2 线粒体氧化代谢对成体干细胞功能至关重要

在休眠状态下,成体干细胞某个亚群会在长时间内处于静止状态。这种静止状态对于维持干细胞功能非常必要。静态时干细胞基础代谢活性最小,仅依靠少数线粒体和糖酵解产生能量即可维持细胞活性。尽管线粒体数量少,线粒体呼吸作用弱,但此时干细胞含有一个功能完整的呼吸链。线粒体可能通过减少活性氧(ROS)生成从而降低氧化磷酸化活性来维持成体干细胞静态和自我更新。ROS是一个活跃的信号分子,并与细胞分化有关。在这些细胞中,低氧环境诱导产生低氧诱导因子(HIF-1α)。HIF-1α是转录因子,可以调节细胞和全身缺氧反应,也可以通过转变代谢的方式使成体干细胞处于静息状态［7］。HSCs处于静息状态时,HIF-1α上调丙酮酸脱氢酶激酶(PDK)活性,从而降低丙酮酸脱氢酶和丙酮酸无氧乳酸脱氢酶的活性,而非线粒体中的乙酰辅酶A。HIF-1α-/-小鼠的造血干细胞不能进行糖酵解代谢,因而失去增殖活性,但是如果使其过表达PDK2和PDK4便可恢复其再生能力。

3 NAD+通过线粒体沉默调节蛋白去乙酰化酶Sirtuin-3(SIRT3)调节成体干细胞功能

通过激活线粒体沉默调节蛋白改变NAD+/烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)值可以调节细胞营养状况,且这个比值受代谢活动影响。呼吸作用通过呼吸链复合物Ⅰ使NADH氧化为NAD+。因此,在细胞分化过程中代谢类型从糖酵解模式变为氧化模式,从而改变NAD+/NADH值。为了维持干细胞中的糖酵解通量,丙酮酸以NADH作为辅酶将乳酸转化为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)。研究证明遗传或药物抑制烟酰胺磷酸核糖转移酶(Nampt)生成从而限制了NAD+补救途径中酶的速率［8］。敲除成年小鼠Nampt可促使神经干细胞增殖。在小鼠海马组织老化过程中,巢蛋白阳性的静态神经干细胞中NAD+和Nampt水平均降低。在神经发生过程中,补充Nampt底物烟酰胺单核苷酸(NMN),可以增加基底前脑巢蛋白(Nestin)阳性神经祖细胞的数量。NAD+/NADH值降低使干细胞功能减退。沉默调节蛋白是赖氨酸修饰酰基转移酶家族的一员,它可以提高NAD+/NADH比值,并以NAD+作为辅酶酰基转移酶,调控生物体营养物质代谢。同时,SIRT3可以增强超氧化物歧化酶(SOD2)活性并降低线粒体的超氧化物含量。幼年SIRT3-/-小鼠具有正常的造血功能,随着年龄的增长HSCs增殖活性下降,而老年SIRT3-/-小鼠HSCs 中SIRT3表达上调。叉头转录因子O亚型3(FOXO3)-/-小鼠表现出卵巢早衰和不孕,而过表达组成性激活FOXO3的小鼠生育能力增强、绝经期推迟。因此SIRT3通过去乙酰化作用激活线粒体酶-异柠檬酸脱氢酶2(IDH2),将NADP 转化为NADPH。

4 小结

成体干细胞对代谢环境的变化极其敏感,代谢状态的改变使线粒体引导细胞从静态转换到激活态,由自我更新转变为分化状态［9-13］。线粒体是细胞能量代谢的中心,同时也是细胞营养和能量状态的重要传递者［14-16］。线粒体衰老理论提示线粒体功能障碍导致ROS增加、细胞损伤,并加速细胞衰老。但最近的研究结果与上述假设不同。ROS特别是线粒体产生的过氧化氢(H2O2)和NAD/NADH值是干细胞功能的关键信号。因此,线粒体可能介导成体干细胞中氧化还原反应而非组织氧化损伤。