撰文 | 咸姐

隨著年齡的增長，人體的組織功能逐漸衰退，修復(fù)能力也顯著下降。這一現(xiàn)象在很大程度上與成年干細胞及其他靜息細胞的再激活能力受損密切相關(guān)【1】。靜息細胞是一種特殊的細胞狀態(tài)，它們暫時停止分裂，以維持組織的穩(wěn)態(tài)，或在營養(yǎng)匱乏等不利條件下保持細胞的存活。在單細胞真核生物以及一些簡單的多細胞生物（如線蟲）中，營養(yǎng)匱乏是誘導細胞進入靜息期的主要信號。以線蟲為例，當其出生時缺乏食物，L1 幼蟲階段會發(fā)育停滯，直到遇到足夠的食物來源才會恢復(fù)發(fā)育，這一過程被稱為 L1 期停滯。然而，隨著時間的推移，這些處于 L1 期停滯的線蟲會逐漸喪失發(fā)育成成蟲的能力，永久停留在 L1 幼蟲階段。這種永久性停滯的現(xiàn)象與細胞內(nèi)積累的活性氧（ROS）、蛋白質(zhì)聚集和線粒體碎片化等細胞功能失調(diào)的跡象有關(guān)【2,3】。值得注意的是，這些細胞功能失調(diào)的跡象與衰老過程中觀察到的現(xiàn)象極為相似，提示線蟲 L1 期停滯的永久性可能與哺乳動物衰老時靜息細胞再激活受限的機制相似。在哺乳動物中，成年干細胞（如造血干細胞、神經(jīng)干細胞和肌肉干細胞）通常處于靜息狀態(tài)，只有在特定條件下才會被激活以進行細胞分裂和組織修復(fù)。然而，隨著年齡的增長，這些干細胞的再激活能力逐漸下降，導致組織修復(fù)能力減弱【4】。研究表明，這種再激活能力的下降不僅受到細胞內(nèi)在特性的調(diào)控，還受到其微環(huán)境信號的影響。盡管已有研究證明許多穩(wěn)態(tài)機制參與維持靜息細胞的功能，也揭示了成年干細胞功能隨年齡增長而衰退的部分機制，但這些機制尚未完全明確。深入研究導致靜息細胞再激活能力隨年齡增長而下降的機制，對于開發(fā)促進組織修復(fù)和再生的策略具有重要意義。

近日，來自美國加州大學伯克利分校的Andrew Dillin團隊在Cell上在線發(fā)表題為Quiescent cell re-entry is limited by macroautophagy-induced lysosomal damage的文章，以線蟲為模型生物，發(fā)現(xiàn)溶酶體損傷是靜息細胞的一個保守特征，其部分是由巨自噬（macroautophagy，以下簡稱自噬）引起的，而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的未折疊蛋白反應(yīng)（UPR）的調(diào)節(jié)因子 IRE-1 和 XBP-1 可促進溶酶體的修復(fù)，從而使細胞能夠重新進入細胞周期并進行分裂。通過抑制巨自噬和增強溶酶體活性，可以協(xié)同抑制溶酶體損傷，從而改善靜息細胞的再激活效率，為應(yīng)對衰老相關(guān)的組織功能衰退提供了新的視角和潛在的干預(yù)策略。

已有研究顯示，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）的未折疊蛋白反應(yīng)（UPR）通過IRE-1/XBP-1、ATF6和PERK通路在靜息細胞的穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。這些通路不僅幫助細胞維持ER的穩(wěn)態(tài)，還響應(yīng)細胞對ER功能需求的增加，保護細胞免受應(yīng)激損傷。本文研究人員觀察到野生型（WT）線蟲在經(jīng)歷L1期停滯數(shù)周后，隨著時間推移逐漸喪失在進食后發(fā)育成成蟲的能力，而這種能力在ire-1和xbp-1突變型線蟲中加速喪失。盡管這些突變型線蟲在L1期停滯期間能夠存活，但它們在長時間停滯后的恢復(fù)能力顯著下降。這種表型在WT線蟲中也存在，但在ire-1和xbp-1突變型中更為嚴重，研究人員將其稱為“進行性終末L1期停滯”（ progressive terminal L1 arrest，PTLA）。同時，研究人員發(fā)現(xiàn)，UPR功能障礙阻止了線蟲中的復(fù)制活性細胞重新進入細胞周期。 有趣的是，盡管ire-1和xbp-1突變型線蟲在長時間L1期停滯后能夠進食，但它們無法重新激活mTORC1信號通路，seam細胞（線蟲中一種特殊的細胞類型，主要參與線蟲的發(fā)育和形態(tài)發(fā)生）增殖減少，這些與它們在長時間停滯后的發(fā)育能力下降相關(guān)。

為了識別導致ire-1突變體中PTLA的機制，研究人員進行了正向遺傳篩選，以尋找能夠繞過ire-1基因缺陷的突變。他們對ire-1突變型線蟲EMS誘變處理，讓F2代線蟲經(jīng)歷L1期停滯，然后給予食物，篩選出能夠發(fā)育成成蟲并繁殖的突變體。通過對這些突變體進行全基因組測序，研究人員發(fā)現(xiàn)多個自噬核心基因（如atg-9、atg-4.1、atg-3和atg-18）的功能缺失型突變。這些自噬基因的突變顯著提高了ire-1突變型線蟲在經(jīng)歷L1期停滯后的恢復(fù)能力，表明自噬在靜息細胞再激活受限中起重要作用，抑制自噬可以改善線蟲從L1期停滯中的恢復(fù)能力，尤其是在ire-1和xbp-1突變體中。這些自噬基因突變型線蟲在經(jīng)歷L1期停滯后再喂食時，能夠更好地重新激活mTORC1信號通路，從而促進細胞周期的再激活。進一步地實驗中，研究人員通過過表達溶酶體相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子HLH-30（TFEB/TFE3的同源物）來增強溶酶體的生成，發(fā)現(xiàn)單獨抑制自噬或增強溶酶體生成對線蟲的恢復(fù)能力有一定的改善作用，但兩者結(jié)合時效果更為顯著，表明抑制自噬和增強溶酶體生成可以協(xié)同作用，顯著改善線蟲從L1期停滯中的恢復(fù)能力。

與此同時，研究人員探討了自噬在L1期停滯線蟲中對溶酶體損傷和功能障礙的影響。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在L1期停滯的線蟲中，自噬活動導致蛋白質(zhì)聚集物被靶向至溶酶體，進而引起溶酶體損傷。通過遺傳手段抑制自噬（如atg-9基因突變）可以顯著減少溶酶體損傷的發(fā)生，表明自噬是導致溶酶體損傷的一個關(guān)鍵因素。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，自噬抑制與溶酶體功能增強相結(jié)合，能夠進一步減輕溶酶體損傷，改善線蟲從L1期停滯中的恢復(fù)能力。進一步地實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在WT線蟲中，重新進食后溶酶體損傷標記物Galectin3顯著減少，表明溶酶體損傷得到了修復(fù)；而ire-1突變型線蟲中，Galectin3標記的損傷結(jié)構(gòu)持續(xù)存在，表明IRE-1對于溶酶體損傷的修復(fù)至關(guān)重要。此外，WT線蟲中重新進食后溶酶體膜蛋白SCAV-3的成熟和溶酶體酶CPL-1的活化增加，而ire-1突變體線蟲中這些變化不明顯，進一步證實IRE-1在溶酶體再生和功能恢復(fù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。這些結(jié)果表明，IRE-1/XBP-1是溶酶體的修復(fù)、再生和再激活所必需的，對于線蟲從長時間L1期停滯中恢復(fù)至關(guān)重要。

那么溶酶體損傷是僅因營養(yǎng)匱乏而獨特存在于線蟲的L1期停滯中，還是其他處于有絲分裂靜息狀態(tài)的細胞的共同特征呢？研究人員通過接觸抑制誘導多種哺乳動物細胞系進入靜息狀態(tài)，并利用熒光標記的溶酶體膜蛋白（如Tmem192-mRFP1）和Galectin3來觀察溶酶體的狀態(tài)，同時通過CRISPRi技術(shù)敲低自噬相關(guān)基因以評估自噬活性。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在靜息的哺乳動物細胞中，自噬活動導致蛋白質(zhì)聚集物被靶向至溶酶體，進而引起溶酶體損傷，表現(xiàn)為Galectin3與溶酶體的共定位增加。而通過CRISPRi技術(shù)抑制自噬可以顯著減少Galectin3與溶酶體的共定位，降低溶酶體損傷的發(fā)生。因此，與在線蟲中的發(fā)現(xiàn)一致，自噬在靜息哺乳動物細胞中對溶酶體損傷有直接的促進作用，且這種損傷可以通過抑制自噬來減輕。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)了一系列導致靜息細胞可塑性下降的過程，證實自噬可通過將蛋白質(zhì)聚集物運輸?shù)饺苊阁w，導致溶酶體損傷，進而削弱靜息細胞的再激活能力。通過抑制自噬和增強溶酶體功能，可以顯著改善這一狀況。同時發(fā)現(xiàn)，IRE-1/XBP-1通路在溶酶體的修復(fù)和再生中發(fā)揮關(guān)鍵作用，其功能缺失會加劇細胞的損傷和再激活障礙。此外，研究還發(fā)現(xiàn)溶酶體損傷是靜息細胞的一個普遍特征，不僅存在于線蟲的L1期停滯中，也存在于哺乳動物的靜息細胞中。這些發(fā)現(xiàn)為理解靜息細胞再激活受限的機制提供了新的視角，揭示了自噬在其中的復(fù)雜作用，并為開發(fā)針對衰老相關(guān)疾病的治療策略提供了潛在的干預(yù)靶點。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.03.009

制版人： 十一

參考文獻

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