“追凶”！上海科学家发明新工具“狙击”细胞衰老，解肝纤维化之谜
澎湃新闻
2024-10-09 07:34澎湃新闻官方账号
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拥有这些技术的科研人员就像炼就了孙悟空的“火眼金睛”。
机体衰老和很多疾病，都与细胞衰老有关。但对细胞衰老的研究失之精确，因为人们一直缺乏能够精准“狙击”特定细胞类型的衰老细胞的研究工具，而只能追踪所有衰老细胞。现在我们知道，肝纤维化也与细胞衰老相关。
本文图片均来自微信公众号@中国科学院分子细胞卓越中心
10月7日，澎湃科技从中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）获悉，周斌研究组近日在国际学术期刊《细胞》（Cell）上发表了一篇题为《确定不同细胞类型细胞衰老的特定功能》（Identifying Specific Functional Roles for Senescence Across Cell Types）的论文。
衰老的p16-tdT小鼠多种细胞类型表达tdT
周斌研究组创新研究方法，精准追踪特定细胞类型的衰老细胞，通过研究小鼠模型发现，肝脏纤维化损伤中的细胞衰老主要与两种细胞类型有关——巨噬细胞和内皮细胞；并首次确认，是由于衰老巨噬细胞的“拖累”和“作恶”，导致肝脏纤维化加剧。而清除相关细胞，可以改善肝脏纤维化。这一研究有望为相关临床应用提供思路和理论依据。
简而言之，周斌课题组发明了一套通用的研究方法和相关动物模型来解决上述科学问题，新方法更精准，也带给人们更大的想象空间。
赵欢副研究员是上述论文的三位共同第一作者之一。她告诉澎湃科技，最新发表的论文一共报告了4套新系统，建立了一种针对体内衰老细胞谱系追踪并研究其特定功能的技术，“我们可以把工具小鼠共享出去，其他科学家可以研究衰老的其他类型细胞”，“比如，此前人们在神经退行性疾病模型中研究发现，其大脑中衰老的星状胶质细胞和小胶质细胞会增多，而清除掉衰老细胞群体，对它的疾病有改善。用我们这套工具，就可以非常精准地研究其大脑中衰老的胶质细胞”。
细胞衰老是指细胞在执行生命活动过程中，细胞增殖与分化能力及其生理功能随着时间推移发生衰退的过程，此外，各种持续性细胞压力也会诱导细胞衰老，如DNA损伤的积累、癌基因的激活、肿瘤抑制因子的丧失、活性氧的暴露等。
虽然它是新陈代谢的正常过程，但机体衰老和很多疾病，都跟细胞衰老有关。
看清衰老在不同尺度或水平上细胞衰老的细节，甚至逆转相关细胞衰老过程，是很多科学家的梦想。
如果把衰老细胞比作潜在犯罪分子，那么追踪衰老细胞的这个过程就可以被比作是“追凶”。但因为缺少合适的研究方法和工具，人们难以“追凶”——无法追踪特定的衰老细胞，也无法看清楚它们“从哪儿来，往哪儿去，要做什么”。
更复杂的是，衰老的细胞与新生的细胞可能毗邻而生，这给现实中的研究更增加了难度。而且，有研究表明，衰老细胞在某些情况下可能发挥积极作用，如肿瘤抑制、胚胎发育、伤口愈合、毛发生长、促进肺再生等。
目前，人们认为，人体里大约有30万亿个细胞，超过400种细胞类型：成年男性约有36万亿个细胞，成年女性大约28万亿个细胞，儿童约有17万亿个细胞。在如此规模的细胞中“追凶”，难度可想而知。
不过，对细胞进行谱系追踪是周斌研究组的强项。此前，人们使用“外源性标记”，比如利用“染色标记”的方法来追踪细胞。但是，当细胞不断分裂增殖，荧光也会被稀释或代谢，最后难以被追踪到。
而周斌研究组使用了一个强大的工具——遗传谱系示踪。这种技术利用基因打靶技术构建转基因小鼠，将带有特定启动子的重组酶基因整合到细胞基因组中，与携带有报告基因的小鼠后，最终在子代小鼠中实现利用同源重组技术追踪特定细胞。
传统技术使用的是“Cre-loxP”的单同源重组系统，存在一些局限性，主要是非特异性标记。周斌研究组在传统的谱系示踪系统上再叠加一个新的系统——Dre-rox，相当于双限定条件，构建了一系列新的双同源重组报告系统，用两种同源重组酶，能够同时标记和追踪两种或三种不同的细胞群，让示踪结果更加精准，从而为发育、疾病和再生研究提供了新的技术选择。
周斌研究团队
周斌举例说，比如一个教室有30位同学，想找到符合特定条件的同学，传统的单同源重组酶系统相当于只设定一个条件，比如“长头发”；双同源重组意味着提出两个特定条件，比如“长头发”且“戴眼镜”，结果更精确。
近年来，周斌研究组通过谱系示踪技术，揭示了冠状动脉的发育起源，并证明了成体心脏不存在能够形成心肌细胞的内源性心脏干细胞；探索了肝脏血管的起源，并指出了成体肝脏中新生肝细胞主要来源区域。
赵欢告诉澎湃科技，通过双同源重组系统，他们实现了对体内特定细胞类型的衰老细胞的追踪，发现其细胞命运，揭示其功能。因为遗传示踪技术的同源重组是在DNA水平上发生的，所以，被标记的目的细胞无论此后是分裂成了两个细胞，还是发生了细胞分化——变为其他类型，它和它所有的子代细胞会一直带着这种荧光标记基因。此外，研究人员还可以实现对特定类型的细胞进行遗传操作，比如基因敲除或过表达，或者细胞清除等。
赵欢介绍，在基因组水平上，p16Ink4a是研究细胞衰老广泛使用的标志物之一。它是一种细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）抑制蛋白。“如果构建了p16Ink4a的Cre或者Dre小鼠，就可以实现‘捕捉’其体内所有衰老的细胞，但是没有办法做到细胞类型特异性。我们就把两套系统结合起来，建立了双同源重组系统。简单来说，比如我可以用Cre同源重组酶去识别衰老细胞，然后用Dre同源重组酶去限定细胞类型，比如巨噬细胞，取它们两个的交集，就是衰老的巨噬细胞。两个限定，就可以对它进行更精准的遗传操作，比如追踪、清除等。”
赵欢说，除了肝脏，他们研究比较多的还有心脏和肺脏等重要器官，“我们实验室还在开发邻近细胞的遗传操作技术，研究衰老细胞的微环境，比如它跟它周围的邻居细胞是怎么相互作用的；然后去调控这些衰老细胞或微环境细胞，以促进损伤修复和组织再生”。
澎湃新闻记者 吴跃伟 实习生 黄煜博
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