线粒体丰富的造血干细胞在老化骨髓中展现出增强的自我更新能力

2025-06-28 Sat
富含线粒体的造血干细胞揭示衰老骨髓中的自我更新活性提升：Nature Aging 杂志最新研究深度解析一、学术背景与研究意义造血干细胞（Hematopoietic Stem Cells, HSCs）是维持终生血液和免疫细胞生成的关键基础。然而，随着机体的衰老，这些HSCs的功能特性发生明显变化，导致再生能力减弱、血细胞分化倾向失衡，并增加血液系统疾病的风险。相关研究显示，HSCs的衰老不仅表现为功能下降，亦涉及代谢、基因表达及细胞器（尤其是线粒体，mitochondria）动态的深刻改变。但关于线粒体在HSCs衰老过程中所扮演的具体角色，以及线粒体质量和数量如何影响老年HSCs干性（stemness）及自我更新能力，学术界仍未达成统一结论。
近年来，线粒体作为细胞新陈代谢与能量提供的核心，其功能障碍已被认为是HSCs衰老的关键标志之一。相关研究推测线粒体质量调控影响HSCs的命运决定、维持干性与分化的平衡。然而，已有共识主要集中在线粒体损伤对HSCs功能的不良影响，而尚未深入探索“高线粒体质量/数量”HSCs在老年骨髓环境中的真实生物学特性。有观点担心，这些高线粒体含量的HSCs或许仅为损伤积累、濒临耗竭的亚群，而缺乏自我更新能力，并无真正的再生活性。因此，本研究聚焦线粒体质量对老化HSCs功能状态的影响，力图厘清高线粒体质量HSCs在老年骨髓中的特性与意义，并揭示其是否存在独特的分子标记与调控机制。
二、论文来源与作者信息该论文题目为《mitochondria-enriched hematopoietic stem cells exhibit elevated self-renewal capabilities, thriving within the context of aged bone marrow》，由Haruhito Totani、Takayoshi Matsumura（共同通讯作者）、Rui Yokomori、Terumasa Umemoto、Yuji Takihara等多位学者共同完成，参与单位包括癌症科学研究所（Cancer Science Institute of Singapore）、新加坡国立大学、Jichi Medical University（日本）、Kumamoto University（日本）、中国科学院血液病研究所、Nagoya City University Graduate School of Medical Sciences（日本）等。该论文于2025年5月发表在国际著名老年学期刊《Nature Aging》上。
三、研究流程详述1. 研究总体设计本项研究为系统性的原始实验研究，采用转基因标记小鼠、单细胞组学、细胞移植、细胞分选和多种功能实验，从多层面解析“高线粒体质量”造血干细胞（mitochondria-enriched HSCs）在衰老环境中的生物学特征与功能。
1.1 小鼠模型与线粒体标记系统为准确、动态地测定HSCs的线粒体质量，作者采用了全身表达线粒体靶向Dendra2荧光蛋白的“mito-dendra2小鼠”。该系统可以避免传统染料标记被HSCs中的排外泵清除的干扰，提供准确、稳定的线粒体质量定量分析。
1.2 HSCs分群与细胞分选研究选用8-12周龄（青年）及50-140周龄（老年）小鼠，系统收集骨髓，并通过标记和流式细胞仪技术，对造血干细胞进行严格筛选。采用的HSC亚型包括：
LSK（Lin^-Sca1^+c-Kit^+）细胞
SLAM-HSC（CD150^+CD48^-LSK）
ESLAM-HSC（Endothelial protein C receptor^+，即EPCR^+SLAM-HSC）
通过荧光信号强度，将同一批HSCs进一步分为“mito-dendra2高”（top 20%荧光强度）和“mito-dendra2低”（bottom 20%）两大亚群。
1.3 线粒体质量、功能与相关标记物检测多重检测线粒体相关参数，包括线粒体DNA拷贝数（mtDNA）、线粒体膜电位（MMP）、自噬/线粒体自噬水平、氧化磷酸化（OXPHOS）相关基因表达等。
合并标记分子（如EPCR、CD150、GPR183等），以揭示功能与分子表型的关联。
1.4 干细胞功能测定实验及移植模型骨髓移植（BMT）：分选后的高、低线粒体质量HSCs分别移植到经致死剂量照射的同种接受鼠（含竞争细胞），16周后分析外周血及骨髓嵌合比。
体外扩增与分化实验：使用包含Thrombopoietin（TPO）、SCF和Soluplus聚合物的无血清培养体系，评估不同亚群HSCs的自我更新与分化倾向。
集落形成（CFU-C）实验：体外评测HSCs多向分化能力。
1.5 单细胞组学及多组学（multiome）分析采用10x Genomics 平台，对青年/老年、高/低线粒体质量的SLAM-HSCs实施“单细胞RNA测序”与“单细胞ATAC-seq”联合分析，构建细胞异质性与分子调控全景图谱。
数据分析使用Seurat、Signac等R包，通过最近邻聚类、GSVA、GSEA、差异表达、多组学整合等算法发掘关键基因与调控网络。
1.6 新标志物GPR183的筛选与功能验证利用多组学数据交叉验证，从多来源老年HSCs数据集中筛选出“既特异又与干性相关”的老年HSCs标记物GPR183，并通过qPCR、流式细胞仪等多方法验证其表达特异性及与HSC干性的关联。
2. 主要实验步骤及技术亮点创新性利用mito-dendra2小鼠，避免传统线粒体染料被HSC外排泵影响，提高了高低线粒体质量判别准确性。
融合多组学测序方法，整合细胞表型、基因表达和染色质开放性数据，对HSCs亚群进行细致分型与分子网络分析。
多重功能性实验结合分子检测，直接描绘细胞“干性—分化—衰老”之间的关联，并建立操作性强的功能评价流程。
四、主要结果与科学发现1. 高线粒体质量造血干细胞在老年骨髓中保持高度干性老年小鼠SLAM-HSCs的线粒体质量显著高于青年鼠，部分归因于自噬/线粒体自噬水平降低，线粒体清除受阻。
高线粒体质量（mito-dendra2^high）HSCs表现出mtDNA拷贝数增加、EPCR、CD150等干性标记物表达增强。
骨髓移植实验显示，接受高线粒体质量HSC的鼠，其骨髓内长期干细胞（LT-HSCs）嵌合比显著提升，且该亚群在移植后较长时间内可维持原有干性。
体外扩增实验发现，高线粒体质量组HSCs自我更新能力突出，2周内可扩增至原有30倍，并持续富集于干细胞分群；而低线粒体质量组更易向分化倾向发展。
2. 高线粒体质量HSCs维持较高OXPHOS活性与ATP产量，ROS无明显上升单细胞组学分析发现，高线粒体质量HSCs同时富集HSC经典和新近发现的干性基因（如Sca1、EPCR、vwf、alcam、CD63、PDZK1IP1等）。
GSVA及KEGG富集分析揭示，该群HSCs显著富集氧化磷酸化（OXPHOS）和铁稳态（iron homeostasis）相关通路。
虽表达线粒体聚集和融合（MFN2上调），但未见明显生物发生增强，显示为功能性线粒体积累但未必为损伤。
ATP产量显著提升，主要依赖OXPHOS，2-DG处理对低线粒体质量HSCs影响更大，而Oligomycin A则主攻高线粒体质量亚群；但无论细胞或线粒体ROS，后者均未显著升高，提示高线粒体质量“能而不损”。
3. GPR183（Epstein–Barr virus-induced gene 2, EBI2）定义老年、富含线粒体HSCs亚群具自我更新优势多组学交叉验证下，GPR183成为高线粒体质量老年HSCs的特异新标志物。其表达高度集中于老年SLAM-HSCs亚群，青年及分化细胞缺乏表达。
GPR183^high亚群HSC兼具高线粒体质量、高EPCR、高CD150及富集的自噬/线粒体自噬活性，说明其更能适应老年骨髓微环境与完成自身再生。
骨髓移植及体外扩增实验均证实，GPR183^high亚群HSCs具更高嵌合能力、长期干性维护能力及扩增优势。
GPR183本身属于G蛋白偶联受体，动物模型及药物干预显示其表达受上游线粒体生物发生调控（PGC1a），而直接活化（如添加其配体7α,25-OHC）未加剧线粒体积累，表明两者为关联而非直接因果。
4. 新型衰老HSCs分子谱及功能亚型的提出除GPR183外，研究通过多组学、数据库交叉，识别出17个和富含线粒体老年HSCs相关的正调控基因（如alcam、jam2、sult1a1、nupr1等）。这些基因大多与干性维护、铁稳态、自噬调控密切相关。
不同于以往认为高线粒体积累代表衰老消耗、功能低下，此次研究提出“富线粒体-干性、自噬维持”新型亚群学说，并通过功能数据加以佐证。
五、结论及学术与应用价值1. 科学意义本研究系统揭示，在衰老骨髓环境中，高线粒体质量不仅不是HSCs功能枯竭的标志，反而代表了一个自我更新能力强、能够适应微环境压力、持续维持造血潜能的优势亚群。
通过识别具有GPR183等新分子标记的HSC亚群，拓展了衰老干细胞异质性的生物学认知，为深入探讨干性维护与微环境自适应机制提供了新范式。
2. 应用价值为老年骨髓移植、干细胞治疗等精准医学提供了新的分子靶点与HSCs选择标准，或有助于提高老年患者移植的疗效与安全性。
对开发通过线粒体调控及GPR183相关通路辅助修复老年HSCs的方法具有重要理论及转化意义。
3. 研究亮点首次采用mito-dendra2转基因小鼠，在小鼠体内微环境下高通量、准确分选高低线粒体质量HSCs，为HSC亚群分型及功能测试提供强力工具。
创新提出GPR183为老年高线粒体质量HSC亚群的新分子标记，并系统验证其功能性干性优势。
多组学数据整合与功能实验证明，与传统认知不同，线粒体积累可伴随干性维护，并非完全代表衰老损伤。
六、其他有价值信息讨论部分对铁代谢、ferritin、铁稳态与HSCs自噬、氧化应激适应作了系统梳理，为后续细分机制研究提供理论支撑。
材料与方法部分详细列举各类分析平台、算法、抗体与转基因小鼠的具体参数，保证实验的可复现性与结果的权威性。
研究提示老年HSCs的表型与功能可因微环境动态调整，可为动态干性维持理论提供新启示。
七、总结该项发表于《Nature Aging》的研究，从模型、分子标志、功能测定至多组学大数据整合，系统性阐明了富含线粒体的老年HSCs在骨髓环境中的自我更新优势及其分子基础。GPR183等新标志物的发现，不仅拓展了衰老造血干细胞的异质性认识，也为干细胞移植及衰老人群造血系统疾病的治疗提供了理论和实践基础。该研究为今后HSC衰老机制探索及相关临床转化提供重要科学资料与思路。