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中山大学谢中瑜团队鉴定出CYP7B1分子调控间充质干细胞静息-激活平衡以及治疗潜力的新机制

2024-04-17 11:17

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Cell Press

生命科学

Life science

2024年2月20日，中山大学谢中瑜团队在Cell Press 细胞出版社期刊Cell Chemical Biology上发表了题为“CYP7B1-mediated 25-hydroxycholesterol degradation maintains quiescence-activation balance and improves therapeutic potential of mesenchymal stem cells”的研究成果。间充质干细胞是一类具有自我更新、多向分化潜能和免疫调节功能的干细胞，广泛应用于临床上多种疾病的治疗性研究。然而，调控间充质干细胞静息-激活平衡的机制仍不清楚。本研究通过分析间充质干细胞在一系列炎症细胞因子刺激下的静息-激活平衡状态，并结合转录组测序分析，揭示了CYP7B1介导的25-羟基胆固醇降解是间充质干细胞维持静息-激活平衡的关键共同机制（图1）。通过进一步的体内实验，证实靶向CYP7B1以调控间充质干细胞静息-激活水平能有效提高其治疗效果。本研究为增强间充质干细胞的生物学治疗功能提供了新的方向和思路。该研究获得了国家自然科学基金委面上项目、广东省自然科学基金委面上项目、深圳市科创委基金等项目的资助。

图1 炎症因子调控间充质干细胞静息-激活机制示意图

间充质干细胞因其强大的免疫调节和多向分化潜能，被广泛应用于组织工程和临床治疗。间充质干细胞在体内通常处于静息状态，可在物理和化学等应激因素的刺激下进入激活状态。炎症是人体内最常见的应激因素之一，可调控体内多种干细胞的静息-激活平衡及其后续的细胞功能。然而，间充质干细胞静息-激活平衡的详细调控机制在很大程度上仍不清楚，深入探究这一机制可为间充质干细胞的临床应用提供新的策略。

研究者首先测定了包括 TNF-α、TGF-β1、IL-1β、IL-6、IL-17α、LPS、IFN-β 和 IFN-γ在内等多种炎症因子对间充质干细胞静息-激活平衡的影响。通过流式细胞术分析细胞周期以及检测细胞周期相关分子标志物，研究者发现TNF-α、IL-1β和LPS会抑制静息，促进间充质干细胞的激活，而IFN-β则显示出相反的效果。此外，其他一些细胞因子，包括TGF-β1、IL-6、IL-17α和IFN-γ，则未发现对间充质干细胞的静息-激活平衡存在明显影响（图2）。

图2 炎症因子调控间充质干细胞静息-激活平衡

为进一步探究炎症因子调控间充质干细胞静息-激活平衡的共同机制，研究者对TNF-α、IL-1β、LPS、IFN-β以及对照FBS刺激的间充质干细胞进行了转录组测序。经交叉比对，在TNF-α、IL-1β、LPS和IFN-β组中发现了 44 个共同的差异表达基因，这些基因富集在细胞因子通路（如细胞因子-细胞因子受体相互作用）和代谢通路（如氧固醇结合和初级胆汁酸盐生物合成）中。经进一步实验验证，研究者发现初级胆汁酸盐生物合成通路中的CYP7B1在 TNF-α/IL-1β/LPS 刺激的间充质干细胞中上调，而在 IFN-β刺激下呈下调趋势，是调控间充质干细胞静息-激活核心分子（图3）。

图3 CYP7B1是调控炎症因子刺激下间充质干细胞静息-激活平衡的共同关键分子

为进一步验证CYP7B1对间充质干细胞静息-激活平衡的调控作用，研究者通过SiRNA敲低CYP7B1分子的表达水平，采用多种细胞周期检测方法，验证了CYP7B1对间充质干细胞激活的促进作用（图4）。

图4 SiRNA敲低CYP7B1表达后可逆转相关炎症因子对间充质干细胞的激活。

CYP7B1是参与机体胆汁酸盐代谢的其中一个关键酶，然而，CYP7B1如何影响间充质干细胞的静息-激活平衡呢？研究者通过代谢质谱进一步发现，在炎症因子刺激下，随着CYP7B1表达的改变，其代谢底物25-HC和代谢产物7α，25-OHC的含量也在发生变化。因此，研究者进一步验证发现，CYP7B1的代谢底物25-HC发挥了调控间充质干细胞静息-激活平衡的关键作用，而不是产物7α，25-OHC（图5）。

图5 代谢底物25-HC发挥抑制间充质干细胞激活，促进静息的关键作用。

作为胆汁酸盐代谢的中间产物之一，25-HC为什么具有调控间充质干细胞静息-激活平衡的作用呢？针对这一问题，研究者通过CYP7B1敲低的间充质干细胞转录组测序，发现多个差异基因富集在Notch通路，进一步验证实验提示该通路中Notch3和Hes1基因发挥了静息-激活的关键调控作用（图6）。

图6 CYP7B1介导的25-HC代谢通过Notch3通路调控间充质干细胞静息-激活平衡。

对于关键的CYP7B1分子，研究者进一步探究了炎症因子调控其表达的机制。证实NF-κB p65 是CYP7B1分子的关键转录调控因子（图7）。

图7 炎症因子通过NF-κB p65调控CYP7B1表达。

CYP7B1可调控间充质干细胞静息-激活，研究者进一步探究了静息-激活平衡对于间充质干细胞功能以及治疗效果的影响。CYP7B1条件敲除小鼠表现为骨缺损延迟愈合，而过表达CYP7B1则可增强间充质干细胞治疗类风湿关节炎小鼠的功能（图8）。

图8 CYP7B1条件基因敲除小鼠中间充质干细胞激活减弱，导致骨缺损延迟愈合而过表达CYP7B1增强其对类风湿关节炎小鼠的治疗作用。

综上所述，在一系列炎症细胞因子的刺激下，CYP7B1 介导的 25-HC代谢是间充质干细胞维持静息-激活平衡的关键共同机制。在具体调控机制上，NF-kB p65介导的CYP7B1可将25-HC降解为7a,25-OHC，并通过Notch3信号通路负向调控25-HC诱导间充质干细胞静息的作用。进一步功能实验证实，CYP7B1条件基因敲除小鼠的间充质干细胞表现出较低的激活水平，从而导致骨缺损的延迟结合；过表达 CYP7B1则使得间充质干细胞对类风湿关节炎小鼠具有更强的治疗潜力。这些结果为调控间充质干细胞的静息-激活平衡及其后续生物治疗功能提供了新的线索。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请谢中瑜研究员代表研究团队接受了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

静息-激活这一过程对于干细胞有什么特别的意义吗？

谢中瑜研究员：

干细胞的静息是一种可逆的细胞状态，包括停滞在G0期并在功能上保持休眠。在生理和病理刺激下，静息的细胞进入激活状态，并发挥相应的功能。人体内大多数干细胞，包括造血干细胞、肌肉干细胞以及神经干细胞，都在体内保持静息状态。这种静息状态使得干细胞可以维持低代谢状态，保持细胞干性和基因组完整性，从而维持干细胞持续再生功能。作为本次的研究对象，骨髓间充质干细胞，在机体发生炎症反应以及骨组织损伤时可重新激活，发挥免疫调控和多向分化功能。因此，研究静息-激活这一过程对于干细胞的命运调控和功能发挥具有深远的影响和临床意义。

CellPress：

该研究的主要亮点是什么？

谢中瑜研究员：

间充质干细胞具有多向分化功能以及免疫调控潜力，是人体内广泛存在且重要的干细胞之一。同时，因其对多种疾病的治疗作用，间充质干细胞也是干细胞治疗领域最具潜力的生物制剂。如何维持并增强间充质干细胞的临床治疗效果一直是该领域的难题，该研究从干细胞静息的角度切入，发现静息-激活状态可影响间充质干细胞的免疫调控和分化功能，并且本研究进一步揭示了间充质干细胞通过NF-kB p65-CYP7B1-25HC-Notch3这一共同调控机制维持其静息-激活平衡的详细机制，为提高间充质干细胞的临床疗效提供了新的思路。

CellPress：

间充质干细胞静息-激活领域未来主要的研究方向有哪些？

谢中瑜研究员：

在本研究中，我们证实了调控间充质干细胞的静息-激活状态可影响其生物学功能，并且也发现了其调控机制。然而，这仅仅只是该领域的一个开端，未来有几个方向值得我们关注。首先是关于间充质干细胞的静息-激活调控在疾病发病机制中的作用。既往研究中，间充质干细胞参与了多种疾病的发生发展，如强直性脊柱炎和骨质疏松症等，而间充质干细胞的静息-激活失衡是否参与这些疾病的发生发展？其次，对于静息-激活的调控机制，我们能否在体外可控地干预间充质干细胞静息-激活地程度，从而进一步提高其临床应用效果呢？这些都是未来很有意义的研究方向。

作者介绍

谢中瑜

研究员

谢中瑜，中山大学附属第八医院骨科副主任医师、博士生导师，生物样本库主任、生物治疗中心副主任。学术兼职包括广东省医师协会脊柱外科分会青年委员、Orthopaedic Surgery编委、Journal of Orthopaedic Translation青年编委等。专注于强直性脊柱炎与间充质干细胞的基础与转化应用研究，对间充质干细胞的生物学功能和特性进行了深入探索，并探讨了间充质干细胞在骨免疫相关性疾病的发病和早期诊疗中的应用价值。近年来共发表第一/通讯作者论著20余篇，承担科研项目10余项。