干細(xì)胞是我們體內(nèi)具有再生能力的細(xì)胞。在醫(yī)學(xué)研發(fā)領(lǐng)域，干細(xì)胞治療等再生醫(yī)學(xué)技術(shù)一直是火爆的命題。

但是，想在體外培養(yǎng)干細(xì)胞可沒那么容易。無論科學(xué)家們多么努力，都沒辦法給干細(xì)胞營(yíng)造一個(gè)與人體內(nèi)環(huán)境完全相同的“家”，于是它們大喊著“我不適應(yīng)！”，紛紛發(fā)生氧化（產(chǎn)生ROS）和DNA損傷等應(yīng)激反應(yīng)，迅速衰老死亡。這一直是再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的難題。

最近，發(fā)布于美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊（PNAS）的研究論文介紹了一種具有顛覆性意義的干細(xì)胞抗衰靶點(diǎn)。研究者們將“蛋白周轉(zhuǎn)”這一概念引入干細(xì)胞研究中，填補(bǔ)了此領(lǐng)域的研究空白[1]。

針對(duì)干細(xì)胞衰老死亡的問題，過去的學(xué)者們發(fā)現(xiàn)，使用抗氧化劑N-乙酰基-L-半胱氨酸（NAC）清除ROS能夠起到一定效果，但效果并不穩(wěn)定。我們?nèi)孕枰闱宄OS在細(xì)胞中的具體來源和具體作用的細(xì)胞區(qū)域[2]。

除此之外，干預(yù)DNA損傷也是抵抗干細(xì)胞衰老的方法之一。但想要使用這種方法，首先要準(zhǔn)確識(shí)別DNA損傷的位點(diǎn)，其次，這種直接作用于DNA的手段可能會(huì)導(dǎo)致DNA突變和致癌[2]。

除了這倆，科學(xué)家藝高人膽大，還有更逆天的創(chuàng)意：直接把已分化的正常細(xì)胞轉(zhuǎn)化為具有再生能力的多能干細(xì)胞。這樣就不擔(dān)心干細(xì)胞會(huì)死啦，反正我們可以再造嘛！

2006年，日本科學(xué)家山中伸彌發(fā)現(xiàn)了4種轉(zhuǎn)錄因子，即著名的“山中因子”：Sox2、Oct4、KLF4和c-Myc，將它們導(dǎo)入已分化細(xì)胞，能夠?qū)⒓?xì)胞恢復(fù)至多能狀態(tài)[3]。

以上種種方法真是令小編佩服科學(xué)家的創(chuàng)意，迫不及待地拿給大家參考。那么除了這些之外，本篇論文又介紹了怎樣的獨(dú)特機(jī)制呢？

本篇論文中，研究者首先發(fā)現(xiàn)能夠降解錯(cuò)誤折疊蛋白的蛋白——伴侶蛋白（例如本文主要研究的熱休克蛋白HSP）在衰老細(xì)胞中的表達(dá)水平廣泛降低，這一現(xiàn)象將干細(xì)胞衰老與蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)減弱聯(lián)系了起來[1]。

什么是蛋白周轉(zhuǎn)呢？就是細(xì)胞清除錯(cuò)誤折疊蛋白的能力。這種能力由伴侶蛋白、轉(zhuǎn)錄因子和泛素蛋白連接酶共同協(xié)調(diào)達(dá)成[1]。

蛋白周轉(zhuǎn)減弱導(dǎo)致錯(cuò)誤折疊蛋白不斷累積，不僅耽誤正常蛋白的形成，而且形成“路障”，讓細(xì)胞與細(xì)胞之間（比如神經(jīng)元細(xì)胞之間）的交流不通暢，影響細(xì)胞的各種功能。這也是阿爾茲海默病和帕金森病等神經(jīng)退行性疾病的關(guān)鍵發(fā)病機(jī)制[4]。

那么，蛋白周轉(zhuǎn)機(jī)制具體是怎樣運(yùn)行的呢？一起來看看吧！

要研究機(jī)制，首先建立模型。研究者們將人類間充質(zhì)干細(xì)胞培養(yǎng)至復(fù)制衰老點(diǎn)并進(jìn)行熱休克，作為衰老應(yīng)激反應(yīng)的體外模型。

研究者分析了衰老細(xì)胞中表達(dá)減弱的蛋白，將目標(biāo)鎖定在熱休克蛋白70kDa（HSPA1A）網(wǎng)絡(luò)。隨后發(fā)現(xiàn)，晚期傳代細(xì)胞，也就是衰老細(xì)胞的HSPA1A蛋白表達(dá)量顯著比早期傳代細(xì)胞低[1]。

圖注：圖注：早期傳代（EP）細(xì)胞和晚期傳代（LP）細(xì)胞在42℃下進(jìn)行2小時(shí)熱休克處理之前、期間和24小時(shí)后的免疫熒光圖像，綠光表示細(xì)胞中穩(wěn)定表達(dá)的蛋白（對(duì)照），白光表示目標(biāo)蛋白HSPA1A?？梢钥闯鐾砥趥鞔↙P）細(xì)胞目標(biāo)蛋白表達(dá)量顯著較低。

接下來，研究者利用常/延遲微分方程 (ODE/DDE) 系統(tǒng)來模擬蛋白周轉(zhuǎn)中關(guān)鍵因素的濃度。此模型反映了4個(gè)因素之間的相互作用：伴侶蛋白HSPA1A、轉(zhuǎn)錄因子HSF1、E3泛素蛋白連接酶 CHIP和細(xì)胞內(nèi)錯(cuò)誤折疊蛋白MFP。

其中，CHIP可泛素化伴侶蛋白和MFP，通過標(biāo)記它們進(jìn)行MFP的降解。但CHIP對(duì)MFP的親和力大于對(duì)伴侶蛋白的親和力[5]。故當(dāng)細(xì)胞處于應(yīng)激狀態(tài)，MFP濃度高時(shí)，蛋白降解率下降；而在應(yīng)激恢復(fù)期間，即MFP濃度低時(shí)，蛋白降解率反而上升。此機(jī)制導(dǎo)致錯(cuò)誤折疊蛋白的積累[1]。

并且，衰老細(xì)胞CHIP水平顯著降低，這更加速了錯(cuò)誤折疊蛋白的毒性累積。

圖注：早期傳代（EP）細(xì)胞和晚期傳代（LP）細(xì)胞在42℃下進(jìn)行2小時(shí)熱休克處理之前、期間和24小時(shí)后的免疫熒光圖像，晚期傳代（LP）細(xì)胞CHIP表達(dá)量顯著較低。

隨后，研究者們對(duì)比了衰老細(xì)胞熱應(yīng)激反應(yīng)所需的時(shí)間及錯(cuò)誤折疊蛋白的停留時(shí)間，結(jié)果顯示，相較早期傳代細(xì)胞，晚期傳代（衰老）細(xì)胞蛋白毒性應(yīng)激時(shí)間延長(zhǎng)（從 10.3 小時(shí)到 12.7 小時(shí)），MFP曲線下的面積（即細(xì)胞中 MFP 的持久性）增加了約 30%[1]。此現(xiàn)象說明，面對(duì)應(yīng)激，衰老細(xì)胞的恢復(fù)速度更慢，且錯(cuò)誤折疊蛋白累積更多。

圖注：晚期傳代（LP）細(xì)胞毒性應(yīng)激時(shí)間延長(zhǎng)，錯(cuò)誤折疊蛋白聚集更多

最后，研究者又利用蛋白質(zhì)染色和轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，證實(shí)衰老細(xì)胞的確更容易發(fā)生應(yīng)激誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)聚集和折疊狀態(tài)變化[1]！

時(shí)光派點(diǎn)評(píng)

閱讀文獻(xiàn)后，派派發(fā)現(xiàn)這篇研究論文將干細(xì)胞耗竭、細(xì)胞衰老和蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)喪失這3個(gè)衰老標(biāo)識(shí)聯(lián)系在了一起。

外界刺激-細(xì)胞產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)-伴侶蛋白水平下降-蛋白周轉(zhuǎn)減弱-蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)喪失-干細(xì)胞衰老死亡，這一通路的闡明為再生醫(yī)學(xué)、轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中的干細(xì)胞研究開辟了一條新的道路。并且此通路在衰老相關(guān)神經(jīng)退行性疾病阿爾茨海默病和帕金森病的預(yù)防和治療上也很有啟發(fā)性。

如果真的有某種藥物或治療手段能精準(zhǔn)靶向蛋白周轉(zhuǎn)過程，清除神經(jīng)細(xì)胞間不斷累積的錯(cuò)誤折疊蛋白，修復(fù)受損的大腦神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)通路，小編相信它一定值得一項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)。

除了本篇論文中使用的分析方法外，最近火爆的人工智能程序AlphaFold也能分析蛋白結(jié)構(gòu)、闡明更多蛋白周轉(zhuǎn)通路。

說到這個(gè)，許多人認(rèn)為AI會(huì)替代人們的職位，所以人類應(yīng)該控制AI技術(shù)的發(fā)展。但小編覺得，新技術(shù)帶來的浪潮是不可阻擋的，與其故步自封，不如順勢(shì)而行。不知屏幕前的你怎么看？

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參考文獻(xiàn)

[1] Llewellyn, J., Mallikarjun, V., Appleton, E., Osipova, M., Gilbert, H. T. J., Richardson, S. M., Hubbard, S. J., & Swift, J. (2023). Loss of regulation of protein synthesis and turnover underpins an attenuated stress response in senescent human mesenchymal stem cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 120(14), e2210745120. doi: 10.1073/pnas.2210745120

[2] Oh, J., Lee, Y., & Wagers, A. (2014). Stem cell aging: mechanisms, regulators and therapeutic opportunities. Nature Medicine, 20(8), 870-880. doi: 10.1038/nm.3651

[3] Takahashi, K., & Yamanaka, S. (2006). Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult Fibroblast Cultures by Defined Factors. Cell, 126(4), 663-676. doi: 10.1016/j.cell.2006.07.024

[4] Labbadia, J., & Morimoto, R. I. (2015). The biology of proteostasis in aging and disease. Annual review of biochemistry, 84, 435–464. doi: 10.1146/annurev-biochem-060614-033955

[5] Qian, S., McDonough, H., Boellmann, F., Cyr, D., & Patterson, C. (2006). CHIP-mediated stress recovery by sequential ubiquitination of substrates and Hsp70. Nature, 440(7083), 551-555. doi: 10.1038/nature04600