衰老造血干细胞的“生存压力”

组织更新是机体依赖于持久的、具有自我更新能力的干细胞所进行的一项基础生理过程。但是，在机体衰老过程中，干细胞的功能也会随之退化。造血干细胞（HSC）可以维持全部血细胞谱系，它与其它长寿命干细胞一样，容易在老化过程中积累DNA损伤。对HSC来说，这些损伤会降低其再生血细胞的能力，并增加患白血病等疾病的风险。然而，到目前为止，我们还不清楚到底是什么原因造成了这些损伤，这些损伤又是如何引起了HSC的功能退化。Flach等人的研究结果发现，损伤主要是由于细胞应激所引起的，而细胞应激又是因为低效的DNA复制导致。由此，他们将目光集中在了可能存在的分子缺陷上。

当细胞无法修复遗传错误时，就会出现DNA损伤，这经常会在细胞增殖过程中DNA复制时出现。对小鼠和人而言，当DNA修复出现缺陷时，就会出现衰老加快的情况，这一事实也支持了DNA损伤是造成干细胞功能退化的主要原因之一的理论。但对于HSC中DNA损伤发生的原因，一直以来都存在激烈的争论，因为有多种因素都可能与之相关：*，内在因素，例如细胞本身出现的问题，如失去细胞极性；第二，外在因素，例如蛋白质分泌，或者HSC周围的细胞类型的改变，都会影响衰老HSC所处的环境。

Flach等人为了研究衰老HSC中DNA损伤的原因和影响，将分离自年轻和年老小鼠骨髓的HSC进行比对。与年轻细胞相比，衰老的HSC显示出功能上的退化，以及DNA损伤的信号，研究者是通过对γH2AX蛋白进行检测而获知的。当与DNA复制缺陷（被称作DNA复制应激）相关的蛋白质增加时，γH2AX就会相伴出现。这些蛋白质通过ATR酶促进信号产生，从而对很多细胞功能进行修饰。

研究者进一步对这一意料之外的结果进行跟进研究，他们发现ATR信号在衰老HSC中会被活化，再次证明它们会在DNA复制应激状况下出现。细胞还会在进入以及S期进程中出现延迟，S期是细胞循环过程里基因组复制的阶段。此外，在衰老HSC中，DNA复制经常出现停滞，53BP1结构数目提高，该结构是细胞核内染色体断裂的标记。

为了探究哪些分子缺陷会导致衰老的HSC中出现的复制应激增强现象，Flach等人对年轻和衰老HSC中的基因表达谱进行了比对。编码MCM4和MCM6（MCM蛋白复合体的两个组成部分，该复合体对DNA正确复制非常重要）的基因在衰老HSC中的表达比年轻细胞中要低。

研究者发现，通过实验敲除年轻HSC中的MCM4和MCM6编码基因，会损害细胞功能。与衰老HSC一样，这样构建的缺陷细胞在被移植到小鼠中后，再生造血系统的能力很差，说明了MCM4和MCM6与复制应激相关，因此在缺乏时，会引起细胞功能退化。与此相一致的是，年轻HSC在受到化学物质损伤时，出现复制应激后，也会引起功能退化。

zui后，Flach等人还研究了γH2AX为何会在已经停止增殖的HSCs中出现，已不再增殖的HSC也就不会经历复制应激了。他们在rDNA基因中发现了长期存在的损伤信号，rDNA基因包括很多编码参与组装核糖体（细胞内具有根据信使RNA合成蛋白质功能的细胞器）的组件的基因。这一点也很容易说得通，因为rDNA复制很困难，因此容易出现复制应激。研究结果表明，长期存在的细胞损伤与rDNA基因的低表达相关。由此，细胞生成的核糖体不足，从而无法产生足够量的蛋白质来维持细胞功能——这一状态被称作核糖体源性应激（ribosomal biogenesis stress）。

综上所述，Flach等人的研究表明，衰老HSC会经历复制应激以及核糖体源性应激。前者可能会诱发后者，而且很明确的是，复制应激至少是部分地导致了衰老HSC再生造血系统功能的衰退（图1）。这一结果对医学领域具有广泛的意义，同时也提出了许多疑问。例如，复制应激是否会导致其它组织内衰老干细胞的功能退化呢？这一研究中的机制是否同样适用于人HSC呢？

图1. 衰老细胞中的复制应激。a，在年轻造血干细胞（HSC）中，MCM蛋白复合体促进DNA复制，由此生成DNA新链。在另一个进程中，在基因转录过程中，mRNA会移动到核糖体，在那里生成蛋白质。这一过程使得HSC可以进行自我更新，并生成全血细胞系。b，Flach等报道了他们的研究结果：衰老HSC内的MCM4和MCM6两种蛋白质水平下降，从而阻止了MCM复合体的正常工作，从而诱发DNA复制应激。与复制应激相关的DNA损伤在衰老HSC中无法被正常修复，进而导致编码核糖体组件的基因的异常，核糖体组装过程受损，以及蛋白质胜成量下降。所有这些HSC面临的应激状态zui终使其生成血细胞系的功能退化。

由于复制应激是许多肿瘤的发病原因，有理由猜测HSC中的应激会导致基因突变的逐步累积，而这将导致血液系统与年龄相关的癌症。接下来，可以对核糖体源性应激如何致使HSC发生功能退化进行研究，另外，p53肿瘤抑制蛋白是否也参与其中，该蛋白是复制机核糖体应激的感应器。

还有一个问题：如果能够恢复MCM4和MCM6的正常水平，是否可以避免衰老HSC中出现的复制应激甚至功能衰退？如果答案是肯定的，那么，阐明MCM基因为何会随着年龄的增加被抑制表达，应该是下一步研究的起点。在此基础上，我们可以建立推迟、预防甚至逆转由衰老所引起的血液系统再生功能的方法。