衰老是一種涉及全身多種組織器官系統(tǒng)性退化的過程，表現(xiàn)為漸進(jìn)性機(jī)體再生能力減弱及功能衰退。異體共生（Heterochronic parabiosis）是通過外科手術(shù)連接年老和年輕小鼠的循環(huán)系統(tǒng)所構(gòu)建的模型。該體系提供了一個獨(dú)特的研究范式，可用于評價老化的機(jī)體受年輕血液影響后如何恢復(fù)活力，反之亦可用于研究年輕的組織和器官受衰老血液影響后加速退行的機(jī)制。迄今為止，年輕血液究竟靠何種力量使衰老個體重返“年輕態(tài)”的秘密還有待揭示。相關(guān)的重要科學(xué)問題包括：哪些衰老的器官、組織和細(xì)胞類型可以或者更容易被年輕血液“返老還童”？衰老干細(xì)胞的活力是否能被年輕血液增強(qiáng)？能否發(fā)現(xiàn)介導(dǎo)年輕血液效應(yīng)的“年輕因子”，并以此作為干預(yù)器官衰老的新型分子靶標(biāo)？
中國科學(xué)院動物研究所、中科院北京基因組研究所、中科院干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究院等單位合作，于Cell Stem Cell在線發(fā)表題為Heterochronic parabiosis induces stem cell revitalization and systemic rejuvenation across aged tissues的研究論文。該研究通過構(gòu)建年老小鼠和年輕小鼠的異體共生模型，繪制了系統(tǒng)水平的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，并對骨髓、脾臟、外周血、腦、肝臟、骨骼肌和皮膚等7種組織器官進(jìn)行了深入解析。研究發(fā)現(xiàn)，暴露于年輕血液可有效改善老年個體不同器官的組織微環(huán)境，并恢復(fù)多種成體干細(xì)胞的活力。其中，造血干（祖）細(xì)胞（HSPC）是對年輕血液尤為敏感的細(xì)胞類型之一，年輕的血液可以通過上調(diào)趨化因子CCL3的表達(dá)促進(jìn)衰老HSPC的“年輕化”。該研究在單細(xì)胞分辨率上揭示了異體共生引起的年老和年輕個體的細(xì)胞全景變化規(guī)律，揭示了年輕體內(nèi)環(huán)境促進(jìn)年老組織再生的關(guān)鍵介導(dǎo)因子，為發(fā)展衰老預(yù)警和干預(yù)的關(guān)鍵標(biāo)志物和新型策略提供了重要的線索和思路。
研究發(fā)現(xiàn)，暴露于年老個體的血液可以使年輕個體的不同器官、組織和細(xì)胞類型呈現(xiàn)加速衰老的特征。而年老個體受年輕血液影響則呈現(xiàn)出典型的“年輕化”改變，主要表現(xiàn)為衰老組織微環(huán)境的改善及相應(yīng)干（祖）細(xì)胞的激活。被激活的干（祖）細(xì)胞群體包括皮膚的基底細(xì)胞和毛囊干細(xì)胞、骨骼肌的成纖維/脂肪祖細(xì)胞，以及定位于骨髓的HSPC。其中，衰老的HSPC對年輕血液的反應(yīng)尤為敏感。以往研究表明向淋系分化能力的減損是衰老HSPC的重要特征，該研究發(fā)現(xiàn)年輕血液暴露能上調(diào)老年個體HSPC中與淋系分化潛能相關(guān)的基因表達(dá)，并恢復(fù)骨髓中淋系細(xì)胞（如祖B細(xì)胞）的數(shù)量。結(jié)合差異基因表達(dá)、核心調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子和細(xì)胞-細(xì)胞間通訊分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一系列以表觀調(diào)控基因YY1以及細(xì)胞趨化因子CCL3為代表的HSPC衰老調(diào)控因子。結(jié)果顯示，YY1的表達(dá)降低與HSPC老化密切相關(guān)，但其表達(dá)水平對年輕血液刺激缺乏足夠響應(yīng)性，而在衰老HSPC中被抑制的CCL3則可以被年輕血液誘導(dǎo)激活。進(jìn)一步的小鼠移植實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，慢病毒介導(dǎo)的YY1過表達(dá)可有效增強(qiáng)年老的造血干（祖）細(xì)胞的重建能力；而基于CCL3過表達(dá)的“基因療法”可顯著提高年老造血干（祖）細(xì)胞向淋系分化的能力。
由于異體共生實(shí)驗(yàn)中年輕與年老個體的循環(huán)系統(tǒng)相通，因此個體之間可能存在彼此細(xì)胞（尤其是免疫類細(xì)胞）在不同組織器官中的相互混合。為了解析這一復(fù)雜的細(xì)胞互通情況，研究人員用CD45.1和CD45.2兩種不同基因型為標(biāo)記來區(qū)分異體共生年老和年輕小鼠的細(xì)胞，不僅通過流式技術(shù)分析了不同基因型個體來源的造血免疫細(xì)胞，還進(jìn)一步構(gòu)建了CD45不同基因型小鼠異體共生的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜。研究結(jié)果顯示，異體共生系統(tǒng)中外周血和脾臟細(xì)胞的互通程度較高，而骨髓HSPC卻很低（年輕個體中的HSPC僅有不到1%來源于年老個體，年老個體中年輕來源的HSPC也少于5%）。這一結(jié)果提示，年輕血液對老年HSPC的“促年輕化作用”是一種受到年輕血液影響后的細(xì)胞內(nèi)源性變化。除了造血免疫系統(tǒng)，老年個體的外周實(shí)體組織也會被年輕血液“年輕化”。值得一提的是，研究人員發(fā)現(xiàn)Gilz在成纖維細(xì)胞中的表達(dá)改變可能是系統(tǒng)衰老和年輕化的關(guān)鍵調(diào)控因素。
綜上所述，該研究以跨器官、多維度的形式系統(tǒng)解析了異體共生模型中年輕血液促使老年個體“年輕化”以及年老血液加速年輕個體“老化”的細(xì)胞分子變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了多種調(diào)控體細(xì)胞及干細(xì)胞“年輕化”的關(guān)鍵因子，為建立衰老的新型預(yù)警和干預(yù)策略提供了豐富的數(shù)據(jù)資源，奠定了相關(guān)的理論基礎(chǔ)。同時，該工作也為人們從系統(tǒng)生物學(xué)角度發(fā)現(xiàn)機(jī)體“年輕化因子”提供了新的研究范式，在科學(xué)應(yīng)對老齡化方面具有潛在的應(yīng)用價值。
該研究獲得科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會、中科院和北京市科學(xué)技術(shù)委員會等項(xiàng)目的資助。
年輕血液促進(jìn)機(jī)體多組織年輕化的系統(tǒng)生物學(xué)研究
