Cell Metabolism：多组学揭示谷胱甘肽代谢是干细胞衰老过程中群体差异的驱动因素

2023年3月，斯坦福大学医学院等单位的相关研究人员在《Cell Metabolism》（IF: 31.4）上发表了题为“Multiomics reveals glutathione metabolism as a driver of bimodality during stem cell aging”的研究论文，确定了干细胞衰老的新机制，并强调谷胱甘肽代谢是逆转肌肉干细胞衰老的可用靶标。

衰老是由不断积累的压力源和不断下降的稳态储备导致的，是一个复杂的、多因素的无序过程，而且几乎无法被完全阐明，这阻碍了发展干预措施用以改善寿命和健康。

肌肉干细胞（MuSCs）是一种再生的成年干细胞群体，随着年龄的增长，MuSCs从静止状态中激活的速度变慢，死亡数增加，导致肌肉修复缺陷。目前还缺乏对老化MuSCs的全面分析，用以探索干细胞衰老的分子基础。

为了在多个水平上表征衰老，研究人员对年轻(4个月)和年老(22个月)雄性C57BL/6小鼠中新鲜分离的静止MuSCs进行了多组学分析，生成了转录组、蛋白质组、代谢组和表观基因组图谱。这些多组学数据可用于评估哪些变化是因果的，哪些是补偿性的，哪些只是相互关联的。结果表明，年老的MuSCs在代谢产物水平上降低了GSH，但在表观基因组、转录组和蛋白质组水平上增加了氧化应激和GSH生物合成反应。为了进一步研究在多个分子功能水平上随衰老而改变的途径，研究人员使用途径等级聚合策略整合数据，各组数据集中进行个体途径富集/过度表达分析后，基于投票排名聚合生成共识列表，GSH代谢居于共识列表的首位。

多组学确定了静止的MuSCs中谷胱甘肽代谢随着年龄的增长而改变

接着，研究人员运用分子探针对GSH含量进行活细胞染色，在单细胞水平上表征年老MuSCs中的GSH代谢，发现与年轻细胞不同，老年MuSsC中GSH含量的分布是双峰式的，显示出不同的GSH^high和GSH^low群体，随着年龄的增长，GSH^high与GSH^low MuSCs的比率降低。此外，与GSH^low群体相比，GSH^high群体表现出更年轻的特征，如在激活过程中增长更快，线粒体周转率更高。体内细胞移植的功能分析也表明，GSH^high细胞能够比GSH^low细胞更有效地促进体内肌肉生成。

年老 MuSCs由 GS^Hhigh 和 GSH^low 群体组成，具有不同的功能

随后，研究人员评估了GSH水平是否与MuSCs的功能相关。通过补充年老GSH^low MuSCs中的GSH水平，或者降低年轻MuSCs中GSH水平，发现GSH对MuSCs的存活和活化过程中有效进展到S期至关重要。进一步测试老年小鼠体内GSH水平对MuSCs功能的影响，类似的，发现提高GSH水平挽救了体内S期进入的速率。这些结果突出了细胞内GSH水平对于维持体外和体内MuSCs功能的必要性和充分性。

为了探讨年老MuSCs中GSH含量出现双峰现象的潜在机制，以及GSH在介导MuSCs功能中的作用，研究人员对年轻MuSCs、年老GSH^high MuSCs和年老GSH^low MuSCs进行了转录组学分析。发现与GSH^low细胞以及年轻细胞相比，GSH^high细胞显示出更高水平的参与GSH生物合成的基因，包括参与GSH从头合成的基因和参与产生GSH补充所需的还原力的基因。因此，GSH^high细胞能够上调GSH生物合成和代谢基因以维持GSH水平，而GSH^low细胞缺乏对GSH耗竭的补偿反应。年轻细胞因为高GSH水平可能不需要参与这些途径，在转录上与老年细胞的未补偿性GSH^low亚群的GSH代谢相似。随后的基因富集分析及分子实验证实，GSH^low细胞中异常的NF-κB信号抑制NRF2转录活性，导致这些细胞中GSH生物合成酶和GSH含量降低。

综上所述，该研究数据揭示了静态MuSCs老化的应激反应模型。年轻的MuSCs暴露于相对较低水平的氧化应激，因此显示出最小的氧化应激反应迹象。这些细胞富含谷胱甘肽，功能良好。年老的MuSCs暴露于氧化应激，并以两种方式之一作出反应。年老的GSH^high MuSCs通过上调NRF2转录活性和GSH合成而产生代偿反应。这些细胞富含谷胱甘肽，并在面对衰老的压力时保持功能。另一方面，年老的GSH^low MuSCs由于适应不良的NF-κB激活而抑制NRF2活性，从而抑制GSH合成，导致功能障碍。该研究工作揭示了多元组学在揭示衰老过程中细胞异质性和复杂的反馈回路方面的力量，还阐明了一个迄今为止尚未认识到的衰老相关细胞功能障碍的原因。