Cell | 静息细胞的“枷锁”：自噬与溶酶体的复杂关联

摘要：随着年龄的增长，人体的组织功能逐渐衰退，修复能力也显著下降。这一现象在很大程度上与成年干细胞及其他静息细胞的再激活能力受损密切相关【1】。静息细胞是一种特殊的细胞状态，它们暂时停止分裂，以维持组织的稳态，或在营养匮乏等不利条件下保持细胞的存活。在单细胞真核生物

撰文 | 咸姐

随着年龄的增长，人体的组织功能逐渐衰退，修复能力也显著下降。这一现象在很大程度上与成年干细胞及其他静息细胞的再激活能力受损密切相关【1】。静息细胞是一种特殊的细胞状态，它们暂时停止分裂，以维持组织的稳态，或在营养匮乏等不利条件下保持细胞的存活。在单细胞真核生物以及一些简单的多细胞生物（如线虫）中，营养匮乏是诱导细胞进入静息期的主要信号。以线虫为例，当其出生时缺乏食物，L1 幼虫阶段会发育停滞，直到遇到足够的食物来源才会恢复发育，这一过程被称为 L1 期停滞。然而，随着时间的推移，这些处于 L1 期停滞的线虫会逐渐丧失发育成成虫的能力，永久停留在 L1 幼虫阶段。这种永久性停滞的现象与细胞内积累的活性氧（ROS）、蛋白质聚集和线粒体碎片化等细胞功能失调的迹象有关【2,3】。值得注意的是，这些细胞功能失调的迹象与衰老过程中观察到的现象极为相似，提示线虫 L1 期停滞的永久性可能与哺乳动物衰老时静息细胞再激活受限的机制相似。在哺乳动物中，成年干细胞（如造血干细胞、神经干细胞和肌肉干细胞）通常处于静息状态，只有在特定条件下才会被激活以进行细胞分裂和组织修复。然而，随着年龄的增长，这些干细胞的再激活能力逐渐下降，导致组织修复能力减弱【4】。研究表明，这种再激活能力的下降不仅受到细胞内在特性的调控，还受到其微环境信号的影响。尽管已有研究证明许多稳态机制参与维持静息细胞的功能，也揭示了成年干细胞功能随年龄增长而衰退的部分机制，但这些机制尚未完全明确。深入研究导致静息细胞再激活能力随年龄增长而下降的机制，对于开发促进组织修复和再生的策略具有重要意义。

近日，来自美国加州大学伯克利分校的Andrew Dillin团队在Cell上在线发表题为Quiescent cell re-entry is limited by macroautophagy-induced lysosomal damage的文章，以线虫为模型生物，发现溶酶体损伤是静息细胞的一个保守特征，其部分是由巨自噬（macroautophagy，以下简称自噬）引起的，而内质网的未折叠蛋白反应（UPR）的调节因子 IRE-1 和 XBP-1 可促进溶酶体的修复，从而使细胞能够重新进入细胞周期并进行分裂。通过抑制巨自噬和增强溶酶体活性，可以协同抑制溶酶体损伤，从而改善静息细胞的再激活效率，为应对衰老相关的组织功能衰退提供了新的视角和潜在的干预策略。

已有研究显示，内质网（ER）的未折叠蛋白反应（UPR）通过IRE-1/XBP-1、ATF6和PERK通路在静息细胞的稳态中发挥重要作用。这些通路不仅帮助细胞维持ER的稳态，还响应细胞对ER功能需求的增加，保护细胞免受应激损伤。本文研究人员观察到野生型（WT）线虫在经历L1期停滞数周后，随着时间推移逐渐丧失在进食后发育成成虫的能力，而这种能力在ire-1和xbp-1突变型线虫中加速丧失。尽管这些突变型线虫在L1期停滞期间能够存活，但它们在长时间停滞后的恢复能力显著下降。这种表型在WT线虫中也存在，但在ire-1和xbp-1突变型中更为严重，研究人员将其称为“进行性终末L1期停滞”（ progressive terminal L1 arrest，PTLA）。同时，研究人员发现，UPR功能障碍阻止了线虫中的复制活性细胞重新进入细胞周期。有趣的是，尽管ire-1和xbp-1突变型线虫在长时间L1期停滞后能够进食，但它们无法重新激活mTORC1信号通路，seam细胞（线虫中一种特殊的细胞类型，主要参与线虫的发育和形态发生）增殖减少，这些与它们在长时间停滞后的发育能力下降相关。

为了识别导致ire-1突变体中PTLA的机制，研究人员进行了正向遗传筛选，以寻找能够绕过ire-1基因缺陷的突变。他们对ire-1突变型线虫EMS诱变处理，让F2代线虫经历L1期停滞，然后给予食物，筛选出能够发育成成虫并繁殖的突变体。通过对这些突变体进行全基因组测序，研究人员发现多个自噬核心基因（如atg-9、atg-4.1、atg-3和atg-18）的功能缺失型突变。这些自噬基因的突变显著提高了ire-1突变型线虫在经历L1期停滞后的恢复能力，表明自噬在静息细胞再激活受限中起重要作用，抑制自噬可以改善线虫从L1期停滞中的恢复能力，尤其是在ire-1和xbp-1突变体中。这些自噬基因突变型线虫在经历L1期停滞后再喂食时，能够更好地重新激活mTORC1信号通路，从而促进细胞周期的再激活。进一步地实验中，研究人员通过过表达溶酶体相关转录因子HLH-30（TFEB/TFE3的同源物）来增强溶酶体的生成，发现单独抑制自噬或增强溶酶体生成对线虫的恢复能力有一定的改善作用，但两者结合时效果更为显著，表明抑制自噬和增强溶酶体生成可以协同作用，显著改善线虫从L1期停滞中的恢复能力。

与此同时，研究人员探讨了自噬在L1期停滞线虫中对溶酶体损伤和功能障碍的影响。实验结果发现，在L1期停滞的线虫中，自噬活动导致蛋白质聚集物被靶向至溶酶体，进而引起溶酶体损伤。通过遗传手段抑制自噬（如atg-9基因突变）可以显著减少溶酶体损伤的发生，表明自噬是导致溶酶体损伤的一个关键因素。此外，研究还发现，自噬抑制与溶酶体功能增强相结合，能够进一步减轻溶酶体损伤，改善线虫从L1期停滞中的恢复能力。进一步地实验结果发现，在WT线虫中，重新进食后溶酶体损伤标记物Galectin3显著减少，表明溶酶体损伤得到了修复；而ire-1突变型线虫中，Galectin3标记的损伤结构持续存在，表明IRE-1对于溶酶体损伤的修复至关重要。此外，WT线虫中重新进食后溶酶体膜蛋白SCAV-3的成熟和溶酶体酶CPL-1的活化增加，而ire-1突变体线虫中这些变化不明显，进一步证实IRE-1在溶酶体再生和功能恢复中发挥关键作用。这些结果表明，IRE-1/XBP-1是溶酶体的修复、再生和再激活所必需的，对于线虫从长时间L1期停滞中恢复至关重要。

那么溶酶体损伤是仅因营养匮乏而独特存在于线虫的L1期停滞中，还是其他处于有丝分裂静息状态的细胞的共同特征呢？研究人员通过接触抑制诱导多种哺乳动物细胞系进入静息状态，并利用荧光标记的溶酶体膜蛋白（如Tmem192-mRFP1）和Galectin3来观察溶酶体的状态，同时通过CRISPRi技术敲低自噬相关基因以评估自噬活性。实验结果发现，在静息的哺乳动物细胞中，自噬活动导致蛋白质聚集物被靶向至溶酶体，进而引起溶酶体损伤，表现为Galectin3与溶酶体的共定位增加。而通过CRISPRi技术抑制自噬可以显著减少Galectin3与溶酶体的共定位，降低溶酶体损伤的发生。因此，与在线虫中的发现一致，自噬在静息哺乳动物细胞中对溶酶体损伤有直接的促进作用，且这种损伤可以通过抑制自噬来减轻。

综上所述，本研究发现了一系列导致静息细胞可塑性下降的过程，证实自噬可通过将蛋白质聚集物运输到溶酶体，导致溶酶体损伤，进而削弱静息细胞的再激活能力。通过抑制自噬和增强溶酶体功能，可以显著改善这一状况。同时发现，IRE-1/XBP-1通路在溶酶体的修复和再生中发挥关键作用，其功能缺失会加剧细胞的损伤和再激活障碍。此外，研究还发现溶酶体损伤是静息细胞的一个普遍特征，不仅存在于线虫的L1期停滞中，也存在于哺乳动物的静息细胞中。这些发现为理解静息细胞再激活受限的机制提供了新的视角，揭示了自噬在其中的复杂作用，并为开发针对衰老相关疾病的治疗策略提供了潜在的干预靶点。

制版人：十一

参考文献

1. Lo´ pez-Otı´n, C., Blasco, M.A., Partridge, L., Serrano, M., and Kroemer, G. (2023). Hallmarks of aging: an expanding universe.Cell186, 243–278.

2. Baugh, L.R. (2013). To grow or not to grow: Nutritional control of development during Caenorhabditis elegans L1 Arrest at Genetics.Genetics194, 539–555.

3. Roux, A.E., Langhans, K., Huynh, W., and Kenyon, C. (2016). Reversible Age-Related Phenotypes Induced during Larval Quiescence in C. Elegans.Cell Metab.23, 1113–1126.

4. van Velthoven, C.T.J., and Rando, T.A. (2019). Stem Cell Quiescence: Dynamism, Restraint, and Cellular Idling.Cell Stem Cell24, 213–225.

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