线粒体（能量供应器）能左右干细胞的命运吗？

线粒体异常是机体衰老和干细胞衰老的九个特征之一，其他特征为基因组不稳定性、端粒消耗、表观遗传改变、蛋白质稳态的丢失、营养吸收能力下降、细胞衰老、干细胞耗竭和细胞通讯的改变^{[1, 2]}。

1，干细胞线粒体的能量代谢

线粒体是新陈代谢中心，通过氧化磷酸化产生ATP，多种蛋白酶使用ATP来维持蛋白稳定，并保持其整体质量；线粒体能迅速适应不同的环境提示和代谢变化，以满足细胞的生物发生需求，称为线粒体可塑性^[3]。

线粒体的平均寿命约为10天。衰亡的线粒体可通过保留的线粒体直接分裂为二予以补充。在病理状态下，线粒体的增生实际上是对慢性非特异性细胞损伤的适应性反应或细胞功能升高的表现。例如心瓣膜病时的心肌线粒体、周围血液循环障碍伴间歇性跛行时的骨骼肌线粒体的呈增生现象。

尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）或称辅酶I，为体内很多脱氢酶的辅酶，是连接作用物与呼吸链的重要环节。在老龄小鼠肌肉干细胞中NAD+水平的下降会导致细胞衰老，而用饮食前体烟酰胺核苷提高NAD+水平可以缓解肌肉干细胞的衰老，延长小鼠的寿命，而这些效应至少部分是由sirtuin酶家族介导的^[4]。同样，通过NAMPT（NAD生物合成限速酶）的过度表达来实现NAD+水平的增加，可以减少老年MSC的细胞衰老；而老龄MSC的NAMPT水平降低，导致细胞内NAD+浓度和Sirt1的表达和活性下降^[5]。一个有趣的现象，与白天相比，小鼠表皮干细胞在夜间观察到了更高的NADH/NAD+比率，同时糖酵解/氧化磷酸化比率也随之增加；这种变化可能与干细胞的细胞周期有关^[6]。糖酵解即是不需要依赖氧气参与的产生ATP的能量代谢。

乙酰辅酶A是物质代谢的重要中间代谢产物。糖、脂肪、蛋白质三大营养物质都会生成乙酰辅酶A以进入三羧酸循环，彻底氧化生成二氧化碳和水，释放能量用以ATP的合成。在人类和小鼠胚胎干细胞中，糖酵解产生的乙酰辅酶A在多能性过程中促进组蛋白乙酰化；通过阻断糖酵解来抑制乙酰辅酶A的产生，会导致人和小鼠胚胎干细胞的多能性标志物的显著丧失^[7]。

线粒体在调节干细胞活动中的重要性在很大程度上被忽视了，因为在许多类型的干细胞中线粒体的丰度很低，而且干细胞能量依赖于糖酵解^[8]。最近的发现揭示了线粒体如何影响干细胞的命运和功能，干细胞线粒体功能的下降可能是多个不同组织中干细胞功能和自我更新与年龄相关衰老的基础，无论是在健康组织中还是在衰老和疾病期间^[9-11]。

与线粒体氧化磷酸化活性在干细胞功能和维持中的重要性一致，在不对称细胞分裂期间将“较老的”线粒体从干细胞中清除出去，似乎对于保留乳腺干细胞的干性至关重要；如果线粒体分裂的抑制扰乱了线粒体与年龄相关的亚细胞定位和分离，可以导致子代细胞中干细胞特性的丧失^[12]。卡路里限制（CR）已知可以改善有丝分裂后组织中的线粒体功能，并促进许多干细胞群体的自我更新；卡路里过量会降低线粒体功能，并损害干细胞功能^[13]。同样，高脂肪饮食使肠道干细胞及其子细胞失调，导致肠道肿瘤发病率增加^[14]。

与分化成熟的细胞相比，许多干细胞新陈代谢的一个重要特征是保持较高的糖酵解通量，在更大程度上依赖糖酵解而不是氧化磷酸化来产生三磷酸腺苷（ATP），是作为细胞干性的关键决定因素^[15-19]。然而，干细胞所处的微环境（可用的营养物质和能源）的不同，干细胞需要代谢可塑性才能与它们的能量需求相匹配，表现出不同的线粒体和代谢特征，表明线粒体动力学、新陈代谢和随之而来的细胞命运之间关系的复杂性^{[20, 21]}。比如，刺激糖酵解可以促进iPS重编程效率^[22]，但在重新编程为iPS的过程中，特定糖酵解基因的乙酰化水平上升，使这些酶更具活性，从而促进糖酵解，从而形成一个良性循环^[23]。而在骨髓中，造血干细胞定植在骨髓腔，属于缺氧区，依赖糖酵解来维持非增殖性静止状态^[24]。

然而，干细胞代谢可能比简单依赖糖酵解要复杂得多。例如，一项研究报告说，人类胚胎干细胞产生的大部分ATP来自氧化磷酸化，而不是糖酵解^[25]。脂质代谢也正在成为干细胞维持和分化的一个关键调节因素^[26]。造血干细胞在自我更新过程中除了糖酵解外还利用线粒体脂肪酸氧化来提供能量^[26]。

TCA循环代谢物的丰富性和可获得性，也起到表观遗传酶辅助因子的作用，从而介导了线粒体新陈代谢和表观基因组之间的相互作用^{[27, 28]}。随着线粒体对干细胞功能的调节逐渐被认识到，尤其是线粒体新陈代谢被证明在决定干细胞是增殖、分化还是保持静止方面起着关键作用^[29]。

值得注意的是，从培养的干细胞获得的代谢信息可能不能反映干细胞在其自然生态位（niche）中的新陈代谢^[30]。培养系统在营养可获得性、细胞与细胞、细胞与细胞外基质接触以及氧气可获得性方面可能与干细胞生态位有很大的不同^[31]。

2，线粒体及功能异常对干细胞的影响

线粒体代谢与基因表达和蛋白质活性密不可分，三羧酸循环（TCA循环）中的几种代谢物参与调节干细胞功能和命运决定的额外途径。比如，柠檬酸从线粒体输出到细胞质为核质乙酰化反应提供乙酰辅酶A^[32]。除了乙酰化，其他蛋白质PTM，如丙二酰化、琥珀酰化和戊二酰化，也分别使用线粒体中间体，包括丙二酰辅酶A、琥珀酰辅酶A和戊二酰辅酶A来调节蛋白质功能^{[33, 34]}。

线粒体基因组（mtDNA）编码37个基因，包括13个OXPHOS亚基、2个rRNAs和22个tRNAs。

非常有意思的是，线粒体DNA应激后释放到胞浆中的mtDNA可以激活先天免疫反应^[35]。在组织和体外细胞培养中，已经观察到在衰老过程中线粒体突变的积累^[36-38]。目前认为线粒体DNA（mtDNA）突变的积累与衰老之间存在重要联系^{[39, 40]}。在衰老过程中发生线粒体DNA突变的积累，会导致呼吸链功能障碍。值得注意的是几个信号通路，如腺嘌呤激活蛋白激酶（AMPK）通路和磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）-AKT通路，以及过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1（PGC-1，是线粒体能量代谢的关键调节因子）^[41]。

干细胞对mtDNA突变的积累特别敏感^[42]。在许多早期研究中，线粒体与干细胞功能，特别是衰老相关的证据大多是相关的，如mtDNA突变增加，ROS水平升高，干细胞功能随年龄增长而下降。线粒体通过不同的策略调节干细胞的功能和命运决定：线粒体代谢产生代谢物，作为DNA和蛋白质修饰的底物，如NAD+、乙酰辅酶A、柠檬酸、α-KG和脂肪酸。通过基因表达的表观遗传调控，这些关键线粒体代谢物的可获得性直接调节干细胞的命运决定和衰老。在干细胞线粒体与核的相互作用下，线粒体不仅对其进行严格的质量控制，而且还可能影响基因表达模式，从而改变细胞在衰老过程中的命运决定和生理功能^[9]。

在人类干细胞老化中也观察到老化伴随的mtDNA缺陷^{[43, 44]}。mtDNA突变可能会引起氧化还原状态的轻微改变，从而影响干细胞的命运^[42]。比如，与年龄相关的线粒体DNA突变会导致人类结肠隐窝干细胞异常增殖和凋亡^[43]。与年轻人相比，老年人来源的诱导的多潜能干细胞（iPS）中mtDNA缺陷的频率也更高^[45]。因此，尽管衰老干细胞中mtDNA突变水平增加，但目前尚不清楚这种mtDNA突变水平增加是否在干细胞老化中起着基础性作用。

3，活性氧（ROS）的双面性

活性氧（ROS）是氧正常代谢的天然副产物，但是一直被视为线粒体DNA稳定性的内源性威胁。由线粒体产生的高水平ROS在衰老的造血干细胞（HSC）中不断积累，并最终损害造血干细胞的功能^{[46, 47]}。ROS产生过多还会抑制HSC的自我更新，诱导HSC衰老，导致HSC过早耗尽和造血功能障碍^[48]。ROS的增加同样促进骨髓来源的MSC的衰老和凋亡，抗氧化剂可以促进MSC的存活和疗效^[49]。

维持细胞氧化还原状态的重要抗氧化剂是谷胱甘肽，这是一种保护细胞免受氧化损伤的还原剂。当暴露于增加的氧化压力时，GSH转变为氧化的GSSG 形式，这是由GSH过氧化物酶催化的反应，因此监测GSH/GSSG的比率可作为细胞氧化还原状态的指示器^[50]。

与前面讨论的线粒体DNA突变的作用类似，由于大量的观察，关于线粒体ROS在干细胞功能障碍和衰老中的作用存在很大的争议^[51]。首先，长寿物种并不总是表现出较低的活性氧水平和伴随的氧化损伤^{[52, 53]}。其次，众所周知，广泛使用的抗氧化剂NAC影响的生理过程超出了清除ROS的范围。因此，NAC处理可能通过影响氧化还原状态以外的机制，使mtDNA突变小鼠的干细胞表型受益。

越来越多的例子表明活性氧似乎在干细胞生物学中发挥积极和必要的信号作用^{[54, 55]}。线粒体ROS的生理水平被认为是代谢适应的重要因素，ROS作为一个信号，触发了逆行信号（线粒体到细胞核），以调节酿酒酵母和哺乳动物中细胞对线粒体功能障碍的反应^[56-58]。ROS信号也会影响干细胞的活动和功能^[59]。综上所述，ROS在干细胞功能中的作用及其具体机制还有待进一步研究，也许存在一个正常的浓度范围。

4，干细胞自噬有利于抗衰老

ROS的增多对细胞有损伤，威胁着细胞的生存，因而细胞进化出清除ROS的对策，即自噬。自噬在真核生物中是一个高度保守的过程，包括消化受损的细胞结构、老化的细胞器和一些大分子，如蛋白质，为必要的代谢过程提供营养。在细胞营养耗尽的情况下，通过刺激自噬来恢复细胞内的营养储存^[60]。

线粒体自噬，能清除过多的ROS，从而减少氧自由基对线粒体的损伤。很大一部分衰老的造血干细胞表现出自噬水平受损，而一定程度的自噬流能维持造血干细胞的年轻态^[61]。自噬是维持干细胞的干性和分化能力所必需的，而自噬在干细胞老化过程中会受到损害^[62]。自噬功能障碍加剧了干细胞的老化，在某种程度上，干细胞的寿命取决于自噬的强度^{[61, 63]}。自噬的长期抑制似乎加速了衰老过程，而长期适度地刺激自噬可能会延缓体内的衰老^[64]。

在果蝇中，自噬保留了适当的干细胞功能，以持续更新肠上皮，有助于稳定肠道稳态^[65]。在氧化应激下，线粒体的选择性自噬可能在延缓与衰老相关的mtDNA突变的积累方面发挥关键作用，然而，这个过程随着年龄的增长而下降^{[66, 67]}。同样，随着年龄的增长，骨髓MSC和骨细胞的自噬功能减弱；自噬的激活可以缓解骨髓MSC的衰老，恢复衰老的骨髓MSC的成骨分化和增殖^[68]。从健康MSC释放的外泌体有能力挽救损伤细胞的自噬功能^[69]。

关于自噬和衰老之间关系的现有数据部分是矛盾的：实际上，自噬可能会促进衰老，也可能会抑制衰老，这取决于细胞环境和压力的种类^[70]。自噬可以保护MSC免受过度的氧化应激^[71]，但是，抑制自噬能减轻MSC长期培养过程中的衰老状态^[72]。

5，线粒体也可以作为“药物”

线粒体是一个非常重要的调节凋亡的细胞器^{[73, 74]}。健康PC12细胞经过细胞膜形成的纳米隧道管（tunneling nanotubes，TNTs）输送其健康的线粒体给紫外光照射损伤的PC12细胞，从而减少了损伤的PC12的凋亡^[75]。胞内钙浓度和能量存储（ATP）在细胞通过TNTs传送线粒体的过程中发挥很重要的作用^{[76, 77]}。耗竭ATP，则显著地减少胞内小泡在细胞间TNTs的传送^[78]。

有研究显示葡萄糖和O-GlcNAc转移酶（OGT）也调节线粒体的传送，OGT的活性依赖于葡萄糖，增加葡萄糖导致线粒体的能动性降低^[79]。肿瘤细胞亦通过这种TNTs结构从多种宿主细胞获得线粒体及其DNA，从而有利于自身的增殖^[80]。

MSC通过TNTs传送线粒体给低氧缺血区域的心肌细胞和内皮细胞，能阻止心肌细胞和内皮细胞的凋亡^{[81, 82]}；同样的机制出现在MSC减少肺损伤的实验中^{[83, 84]}。增加Miro-1（线粒体外膜Rho样GTP酶）的表达，MSC经TNTs传送线粒体数量增加，有利于MSC减少肺损伤和减轻气道高反应性^[85]。

因此，MSC通过向邻近的受伤细胞输送自身的线粒体，也是MSC发挥治疗作用的机制之一。

6，小结

调节线粒体功能或改善线粒体质量控制可能是控制干细胞扩增、刺激再生医学中的干细胞激活以及对抗衰老过程中干细胞功能障碍的有效策略(方框3)。这种“线粒体药物”的应用不仅可以在干细胞水平上提供延缓衰老的手段，而且可以通过延长寿命在生物水平上提供延缓衰老的方法^[86-88]。这是一个令人兴奋的前景，它将线粒体和干细胞之间的相互作用置于抗衰老领域的中心阶段。

参考文献：略

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