PNAS：溶酶體在調控細胞靜息狀態深度和老化關系的作用

　　2019年10月21日，北京大學生物醫學前沿創新中心（BIOPIC）、生命科學學院白凡課題組與美國亞利桑那大學姚廣課題組合作在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上發表題為“Graded regulation of cellular quiescence depth between proliferation and senescence by a lysosomal dimmer switch” 的研究論文，首次揭示了溶酶體功能在調控真核細胞靜息狀態深度（quiescence depth）中扮演“調節開關”的重要角色，同時也闡釋了細胞靜息狀態加深與衰老過程分子機制上的一致性。該研究成果對于理解組織穩態、修復和再生以及機體衰老等重要生理學過程具有重要意義。

　　正常生理狀態下，機體內的大部分細胞都不進入活躍細胞周期，而處于休眠的狀態。其中，可以被生長信號刺激逆轉的休眠狀態被稱為細胞靜息，而與之形成對比的是不可逆的細胞衰老狀態（senescence）。細胞靜息對于機體多種生理過程至關重要（例如，干細胞穩態維持和組織的修復）。另一方面，細胞靜息狀態的紊亂會導致諸如癌癥和衰老等嚴重病變過程的發生。正如人的睡眠程度有深有淺那樣，長期以來的研究表明細胞靜息也不是一個均一的狀態，而是具有不同等級的靜息深度，具體可表現為細胞在接受到生長信號刺激后重新進入增殖狀態（proliferation）的難易程度（例如，處于靜息深度更深的細胞進入增殖狀態所需要的生長信號濃度更高、誘導時間更長）。盡管以往研究對于細胞靜息深度有初步的認識，然而對于調控細胞靜息狀態深度的分子機制以及靜息和衰老過程之間的聯系還一直不清楚。

細胞的靜息狀態存在不同的深度

　　為了探究以上問題，作者團隊首先利用“血清饑餓”培養的方法（0到16天）在體外誘導大鼠胚胎成纖維細胞（REF）由淺及深地達到不同深度的靜息狀態，并對不同深度靜息狀態下的細胞進行轉錄組測序。通過整合和分析轉錄組數據，作者發現在靜息狀態由淺及深的過程中細胞基因表達主要呈現出9種主要的模式。特別是隨著靜息深度的逐步加深，有兩簇基因的表達量呈現逐步上升的模式。通過功能富集分析，作者發現這兩簇基因都顯著地富集到了溶酶體（lysosome）相關的通路上。這些溶酶體相關的基因，包括編碼溶酶體相關的酶、激活蛋白、膜蛋白和離子通道蛋白的基因都隨著細胞靜息狀態加深表達量逐步上升。同時，作者發現隨著細胞靜息狀態加深，細胞內溶酶體數量也隨之增加。

　　溶酶體基因表達和數量的上升讓作者猜想溶酶體的整體功能也會隨之上升。然而通過對能表征溶酶體功能的自噬流（autophagy flux）進行檢測，作者意外地發現隨著細胞靜息狀態加深，溶酶體功能不僅沒有增強反而逐漸降低。由此也引出了兩個關鍵問題：溶酶體基因表達和數量的上升與溶酶體功能到底有什么樣的關系？是否由于溶酶體功能的降低引起了細胞靜息狀態的加深？針對第一個問題，作者通過研究靜息加深過程中溶酶體的生成和降解，發現隨靜息加深溶酶體自身降解減緩，導致破損的溶酶體數量上升而功能下降；另一方面，溶酶體基因表達的持續上調促進溶酶體生成，進而部分地補償了溶酶體功能的降低。針對第二個問題，作者利用抑制劑抑制細胞內溶酶體功能，由此發現細胞進入了更深的靜息狀態，甚至不可逆的細胞衰老態。另一方面，作者利用外源表達轉錄因子Mitf的方式增強了細胞內溶酶體的功能，結果發現細胞的靜息深度變淺。作者進一步研究發現，溶酶體功能的升高能降低細胞內活性氧自由基（ROS）的濃度防止靜息狀態加深。反之，溶酶體功能的降低使得細胞內ROS濃度上升進而導致靜息狀態加深。

溶酶體功能在調控細胞靜息狀態深度中的作用

　　綜合以上結果，作者闡明了溶酶體功能是控制細胞靜息狀態深度重要“調節開關”，而該“開關”的工作原理是通過調節細胞內ROS的濃度。最后，作者利用線性回歸模型對轉錄組數據進行進一步挖掘，成功解析出能夠表征細胞靜息深度的一組特征基因。作者發現這組基因不僅能準確表征體內、體外細胞靜息狀態的深度，還能準確地預測和區分細胞衰老狀態及體內多種組織的老化進程。這個結果反映了細胞深度靜息狀態與細胞及組織老化具有共同的分子基礎，而靜息狀態加深是衰老過程潛在的過渡狀態。

表征細胞靜息狀態的特征基因能準確預測和區分細胞衰老狀態及體內多種組織的老化進程

　　白凡和姚廣為該研究論文的通訊作者。姚廣課題組博士生Kotaro Fujimaki以及白凡課題組博士后李若巖為本文的共同第一作者。白凡課題組博士生陳姮玉、匹茲堡大學邢建華教授，以及亞利桑那大學張灝教授也參與該研究的部分工作。該研究工作得到國家自然科學基金和科技部重大專項的資助。