P-选择素异常激活驱动小鼠造血干细胞衰老

2025-06-28 Sat
一、研究背景与科学问题血液系统的健康对于机体功能至关重要，而造血干细胞（HSC, Hematopoietic Stem Cells）则是维持血液系统正常运行的核心细胞类型。HSC 具有自我更新和多向分化能力，能够生成所有类型的血细胞，包括红细胞、白细胞和血小板。随着年龄的增长，造血干细胞的功能逐渐衰退，表现为造血再生能力降低、红细胞生成受损，以及出现向髓系（如粒系、单核细胞及血小板）倾斜的分化偏向。这种干细胞老化不仅影响机体对失血、感染等应激的应答能力，还会导致多种血液退行性疾病和恶性肿瘤的发生。
以往的研究揭示，HSC老化与一系列细胞内分子改变相关，比如DNA损伤、代谢异常、表观遗传调控紊乱等。此外，细胞外环境因素——如骨髓微环境的重塑和炎症反应——同样对HSC老化过程产生显著影响。然而，具体的功能性分子通路、可逆性的老化机制，尤其是微环境信号与干细胞老化互作的分子基础，尚未被充分揭示。理解这些机制不仅有助于延长健康寿命，还为老年相关血液疾病的治疗提供理论依据和可能的干预靶点。
在这一领域的最新关注点中，P-选择素（p-selectin，编码基因为selp）引起了研究者的兴趣。P-选择素是一种膜结合的细胞粘附分子，传统上已知其在内皮细胞及血小板中的重要作用，在炎症反应和细胞迁移中起关键调节作用。近年来的转录组meta分析显示，p-selectin的表达在老年小鼠及人类HSC中显著升高，但其在HSC老化中的具体功能作用尚不清楚。本研究正是在这一背景下展开，旨在阐明P-选择素在HSC老化中的致病机制及其可逆性。
二、论文来源与作者信息本研究以“aberrant engagement of p-selectin drives hematopoietic stem cell aging in mice”为题，于2025年6月发表在顶级学术期刊Nature Aging（nature aging | volume 5 | june 2025 | 1010–1024）。论文的通讯作者为Britta Will和Gerald de Haan，作者团队来自欧洲老龄化生物学研究院（eriba, university medical center groningen, university of groningen, the netherlands）、美国爱因斯坦医学院（Albert Einstein College of Medicine, NY, USA）、圣犹达儿童研究医院等多个国际一流研究机构。作者团队在造血干细胞和微环境老化机制研究领域有深厚积累，为本研究提供了跨学科的多元视角和坚实平台。
三、研究工作流程与实验方法1. 初步表型与分子特征观察研究首先对小鼠随年龄增长的造血表型进行系统分析。作者利用2-5个月龄（年轻组）和大于22个月龄（老年组）的小鼠，对外周血红细胞（RBC）、血小板（PLT）及白细胞进行计数，结果发现老年小鼠红细胞及血红蛋白、血细胞比容均显著下降，而血小板数量升高。此外，髓系细胞比例增加，B淋巴细胞比例减少，显示出典型的向髓系分化倾斜。
在造血干细胞及祖细胞水平，老年小鼠骨髓中长期重建型HSC（LT-HSC）及其下游祖细胞（MPPs，GMPs）比例增加，而红系祖细胞及红系集落形成单元（CFU-Es）比例下降。功能性体外克隆形成实验进一步证实老年HSC的再生能力下降。以上一系列变化同时伴随个体间变异加大，反映出老化过程的异质性。
2. P-选择素表达分析与细胞亚群鉴定通过FACS流式细胞术，研究团队检测并定量了p-selectin在不同亚群HSC及造血祖细胞表面的表达水平。发现仅在LT-HSC显著表达p-selectin，且老化并不是所有HSC平均表达升高，而是导致一部分细胞p-selectin高表达（selphi），另一部分维持低表达（selplo），表现为HSC亚群的分化。
进一步免疫荧光染色和全骨髓切片成像显示，selphi HSC主要定位于骨髓窦道区域（sinusoidal niche），与年轻HSC常见的巨核细胞（megakaryocyte, MK）微环境不同，这一空间分布差异与HSC老化的微环境重塑密切相关。
3. P-选择素高表达HSC功能特性分析团队将老年小鼠分离的selphi与selplo HSC进行功能对比：首先体外髓系集落形成实验显示，selphi HSC的集落形成效率低于selplo。进而通过竞争性串行移植实验，发现selphi HSC的体内重建能力显著减弱，尽管髓系定植效率未变。值得注意的是，移植后，selphi HSC的p-selectin表面表达恢复至低水平，提示该表达可逆。
4. SELP基因过表达动物模型解析为了验证p-selectin表达对HSC是否具有直接功能影响，作者溯源性地在年轻小鼠HSC中通过病毒转导强制过表达selp基因（selpoe），并进行体内竞争性移植。即使在超生理水平p-selectin表达下，分化谱系（白细胞、血小板）无显著变化，但长期重建能力持续受损，且几乎不生成红细胞。进一步FACS分析发现分化到多核和后期红系前体的能力明显障碍。数据表明，p-selectin的过表达不仅影响功能重建，还选择性抑制红细胞生成，这与临床老年性贫血的机制可能相关。
5. Selphi HSC分子转录特征描述采用RNA测序，团队系统比较了老年小鼠分离的selplo与selphi HSC的转录组特征。共检出162个显著差异表达基因，丝氨酸/苏氨酸调控因子cebpb与foxm1等增殖调控基因在selphi HSC中被抑制，下游相关通路活性降低，细胞周期及DNA复制类基因表达低，提示selphi HSC更趋于静息状态。红细胞分化主转录因子gata1 及其靶基因表达在selphi HSC中被显著下调，而髓系分化和先天免疫相关通路则激活。与老化HSC相关的分子信号在selphi群体中富集，证明其为分子意义上“更老”的亚群。
6. 炎症因子与P-选择素表达的关系解析利用公共数据库与原始实验，团队进一步发现，促炎症通路特别是IL-1β信号活化与selphi HSC身份高度相关。在动物体内注射IL-1β／TNF后，HSC表面p-selectin表达迅速升高，且IL-1β在老年骨髓间质液浓度上升。持续IL-1β刺激虽可驱动p-selectin表达，但单纯阻断IL-1R1通路仍不足以完全恢复老年HSC分子特征，说明其他炎症通路亦可参与调控。此外，通过将老年HSC移植至年轻小鼠体内，团队观察到移植后HSC炎症相关基因表达下调并恢复至低表达状态，p-selectin水平亦正常化，提示微环境对HSC老化具有重要可逆调控作用。
7. P-selectin配体PSGL-1信号联通作用机制解析PSGL-1是p-selectin的主要生理配体，表达于多种免疫细胞上。研究发现老年骨髓中DC、单核、粒细胞和CD4+T细胞PSGL-1表达下降。实验显示，体外将PSGL-1蛋白加入HSC培养，能够在p-selectin正常表达（wt）条件下显著下调炎症与衰老相关基因，信号传递涉及ERK1/2与STAT3通路的调控。单细胞分裂实验说明PSGL-1刺激可增强高p-selectin表达HSC细胞分裂活性，显示其功能调节作用依赖于p-selectin水平。
8. selp 缺失造血干细胞表型功能解析团队以selp基因敲除（selpko）小鼠为模型，比较其HSC功能与老化表型。转录组分析发现selpko HSC大量激活老化上调基因签名，炎症相关因子（IL-6、IL-1β）表达水平升高。功能上，selpko小鼠尽管外周血细胞总数变化不大，但表现出髓系偏向以及CD150高表达LT-HSC亚群增加，竞争性体内移植实验显示selpko HSC很难重建受体血液系统，提示缺乏p-selectin调控会导致HSC提前进入老化状态，功能丧失。
四、主要研究结果与结论本研究从细胞水平、分子水平和生理功能多维度系统揭示：
- 老年HSC中p-selectin表达显著分化，分子和功能上与“老化”表型强相关；
- 炎症微环境（尤其是IL-1β）可急性诱导HSC表面p-selectin表达，某些炎症通路（如IL-1β、TNF-α）虽关键，但冗余机制共同参与调控；
- selp（p-selectin）过表达足以驱动HSC功能下降，表现为再生能力降低及红系分化障碍，这可部分模拟临床老年性贫血；
- 将老年HSC移植至年轻骨髓能“年轻化”其分子表型，p-selectin表达恢复正常，进一步佐证微环境的决定性；
- p-selectin配体PSGL-1在微环境中表达下降，补充PSGL-1可下调炎症和衰老基因、增强HSC分裂能力；
- selp缺陷HSC表现出提前老化，衰老相关基因表达和髓系偏向增加，功能严重受损。
结论上，p-selectin的异常高表达不仅是HSC老化的标志，更是功能性致衰分子，微环境炎症信号异常通过调节p-selectin/PSGL-1轴推动HSC进入功能衰退，提示p-selectin及其信号网络可作为衰老干预的新靶点。
五、研究意义与学术价值此项工作首次系统建立了p-selectin在造血干细胞老化中的决策性作用链路，揭示其表达及激活的可逆性。本研究对于理解HSC老化机制、以炎症-微环境为切入点干预老年性血液疾病提供了重要理论基础。p-selectin的功能研究突破了传统对其仅作为细胞黏附分子的认知，拓展为老化功能调控的分子枢纽。而PSGL-1作为p-selectin的限速调控因子，其在微环境中的补充可能成为未来HSC健康延缓和功能恢复的新策略。
此外，本文通过HSC移植以及p-selectin信号调控的多维实验手段，为鉴别和分选“年轻状态”干细胞亚群提供了技术标准，有助于优化造血干细胞移植及再生医学流程。
六、研究亮点与创新揭示了HSC老化中p-selectin表达的异质性及其功能分层；
建立了炎症微环境-细胞黏附分子互作调控干细胞命运的新观点；
采用移植-回春实验直接证实微环境对于干细胞功能衰退的可逆性；
从分子机制到生理功能再到干预可能，构建了完整的因果链路；
创新性证明PSGL-1在微环境中下降是衰老过程的关键因素，拓展了黏附分子调控的研究领域；
多种高通量组学（转录组、单细胞RNA-Seq）、功能重建实验和细胞生物学手段有机结合，为复杂表型解析提供范例。
七、展望与进一步思考研究还提示，p-selectin的表达和功能动态可逆，虽然p-selectin高表达细胞在功能上落后于低表达细胞，但并非完全失去再生能力，这为如何选择性“回春”或去除衰老HSC亚群指明方向。后续有必要探讨PSGL-1为何会在老年BM中受抑、其补充是否具备临床可行性。此外，p-selectin/PSGL-1轴是否参与HSC归巢及定植等更广泛功能，同样值得深入。
八、结语这篇发表于Nature Aging的高水平原创研究，为造血干细胞衰老提供了新的解释框架，揭示了p-selectin的关键调控作用及其微环境依赖性，为老年相关血液疾病的干预和HSC功能保持开辟了新的分子靶点。其研究范式、技术体系和科学洞察力均具有显著的学术与应用价值。