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拯救皱纹 + 脱发!张亮 / 李青峰 / 刘蔡钺团队解码抵抗

丁香学术

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导读

皮肤上皮是研究成体干细胞(ASCs)的常用模型,这是因为快速更新的皮肤组织的老化通常归因于其所在的成体干细胞的退行性改变,主要表现为毛发变白/变细、皱纹和愈合缺陷等。

在人体中,紫外辐射、电离辐射(IR)、早老症等损害基因组的内外因素均可显著加速皮肤衰老,基因毒性应激是包括皮肤在内的许多组织衰老的关键原因之一。前期的研究表明,衰老过程中的 DNA 损伤是诱导皮肤毛囊干细胞(HFSC)向表皮转分化和耗竭,构成皮肤毛囊衰老的核心机制。

但细胞内介导衰老 HFSC 命运转变的机制尚不清楚;此外,在伤口愈合和老化过程中,是否有一种共同的机制驱动 HFSC 向表皮分化同样是未知的。

HFSCs 的细胞命运很大程度上受到细胞基因表达的调控,包括大多数转录因子(TFs)microRNAs(miRNAs)。虽然说前期的研究已经表明有些转录因子参与了 HFSC 衰老的调控,但 miRNAs 在皮肤衰老中的作用尚不明确。

2021 年 8 月 16 日,中国科学院上海营养与健康研究所张亮研究员团队联合上海交通大学医学院附属第九人民医院李青峰刘蔡钺团队,在 Nature Aging 杂志在线发表了题为 A stress-induced miR-31–CLOCK–ERK pathway is a key driver and therapeutic target for skin aging 的研究成果。

该研究借助小鼠模型与临床样本数据,确定了一个关键的 miRNA 调节因子,并揭示了一个治疗相关的新途径:miR-31-CLOCK-ERK 偶联的信号通路是驱动皮肤上皮组织衰老的关键分子机制,这为将此通路作为临床干预靶点奠定了坚实的分子基础。

图片来源:Nature Aging


主要研究内容

miR-31 在 HFSCs 衰老和损伤时的关键作用

首先,为了研究 miRNA 表达在皮肤上皮老化过程中的变化,研究人员对来自幼(8 周)和老龄(22 个月)的野生型小鼠的皮肤上皮进行了深度 small-RNA-seq,结果发现,miR-31(miR-31-5p)是老龄小鼠皮肤上皮中上调最高的 miRNA,原位杂交,实时定量 PCR 等实验结果均证实了这一发现。

随后,他们使用局部电离辐射刺激(LIR)小鼠皮肤,这一方法可以加速局部皮肤衰老,引发秃发、白发、愈伤缺陷等典型的皮肤衰老表型。通过测序数据,同样发现 miR-31 在这种过早的皮肤老化过程中也高度上调

图片来源:Nature Aging

随后,为了探讨 miR-31 在人类皮肤衰老中的作用。他们收集了整形手术中被丢弃的皮肤样本,并对这些样本进行 miR-31 原位分析。结果同样发现老年人头皮中出现显著的 miR-31 上调。综上,研究人员确认了 miR-31 表达上调与表皮和毛囊的自然衰老以及肿瘤放疗导致的皮肤早衰均密切相关

图片来源:Nature Aging

然后,通过构建多个 miR-31 的转基因和条件性敲除小鼠模型,研究者发现它在皮肤上皮组织中的过表达可提前诱发衰老,导致秃发、愈伤障碍、HFSC 耗竭等类似于衰老的现象;与此相反,它在 HFSC 中条件性敲除 miR-31 则可显著抑制皮肤的自然衰老和电离辐射导致的皮肤加速早衰,并且通过其他检测指标证明敲除 miR-31 后没有出现有害的副作用。

因此,这些体内实验结果均可证实:miR-31 是驱动 HFSC 衰老耗竭的关键因子,也提示靶向抑制 miR-31 也可能是防治皮肤衰老的一条安全有效的新途径

图片来源:Nature Aging

miR-31 通过激活 MAPK/ERK 来促进 HFSC 的衰老

接下来,研究人员探索了 miR-31 介导 HFSCs 衰老的内在分子机制。通过深入分析转录组数据,发现 miR-31 激活了 Ras 信号通路的某些下游分子,而 Ras 信号在皮肤上皮中的作用主要是通过 MAPK-ERK 级联磷酸化 ERK(pERK)实现的。

同样地,通过 Western Blot 实验,他们也发现了 pERK 在小鼠衰老皮肤中显著上调,而这种上调在条件性敲除 miR-31 的小鼠中则不明显。此外,体外的细胞培养实验也证实,miR-31 的过表达本身也可导致 pERK、pRAF 和 pMEK 的显著上调

图片来源:Nature Aging

为了进一步证实 MAPK/ERK 在 miR-31 促进 HFSC 衰老中的作用,他们使用了一种特异性 MEK1/2 抑制剂药物--曲美替尼,进行了体内外实验。结果发现,曲美替尼的确抑制了小鼠中 miR-31 介导的毛发生长阻滞和 HFSC 损失等现象。此外,在电离辐射后喂食曲美替尼,能够显著抑制小鼠皮肤的老化表型

这些实验结果表明,MAPK/ERK 通路抑制剂能够显著拮抗电离辐射导致的小鼠皮肤早衰,并且无明显副作用,同时,口服或皮肤涂抹的给药方式均可产生相同的疗效。这为防治皮肤衰老和其他基因组损伤性刺激导致的慢性皮肤病变(如放射性皮炎后遗症和皮肤光老化等)指出了一条极具临床潜力的「老药新用」途径

图片来源:Nature Aging

Clock 是 ERK 激活和 HFSC 衰老的关键 miR-31 靶点

上述的实验已经证实 miR-31 在体外和体内均能激活 MAPK/ERK 通路,为了确定这些主要靶点,他们分析了体内和体外皮肤上皮细胞中 miR-31 上调后的转录变化。结果发现,只有 3 个基因出现在了 miR-31 的预测靶点范围,即在体内和体外 miR-31 上调后,其表达显著下降。

其中,昼夜节律基因 Clock 已经被报道是 HFSC 细胞命运决定的调控因子。接下来,通过荧光素酶报告基因检测(Luciferase reporter assays)和 Western Blot,他们证实了 Clock 为 miR-31 的靶点以及其在 miR-31 上调时出现显著下调,但这种下调在条件性敲除小鼠中并不存在。

图片来源:Nature Aging

最后,借助小鼠体内实验模型,他们发现,通过敲降上皮细胞中的 Clock 能够抑制毛发生长并诱导 HFSC 向表皮分化,而过表达 Clock 则会抑制 miR-31 介导的毛发生长阻滞和 HFSC 向表皮分化,并且这种作用在人类表皮上同样存在。这些结果表明,Clock 是调节 HFSC 命运的一个保守的关键 miR-31 靶点

图片来源:Nature Aging


结语

综上所述,借助小鼠模型和体内外实验,该团队发现了一个调控皮肤上皮干细胞衰老的 microRNA(miR-31),并将其与节律基因 Clock 和 MAPK/ERK 通路偶联起来,揭示了一条驱动皮肤衰老的关键信号通路,并且这种调控机制在人类表皮细胞中高度保守,这提示其可能也参与了人类表皮和毛囊衰老的过程,因此,可为防治皮肤衰老及其它基因组损伤相关皮肤疾病提供新的治疗靶点

中国科学院上海营养与健康研究所肿瘤与微环境重点实验室为本研究的第一完成单位和通讯单位。张亮研究员为主要通讯作者,张亮课题组博士后于瑶为第一作者。多年来,张亮团队致力于研究皮肤干细胞的命运调控与病变的分子机制,并以此为基础探索其在皮肤疾病创伤治疗、美容保健中的应用。


题图来源:站酷海洛
参考文献:
1. Yu, Y., Zhang, X., Liu, F. et al. A stress-induced miR-31–CLOCK–ERK pathway is a key driver and therapeutic target for skin aging. Nat Aging (2021).
2. Goodell, M. A. & Rando, T. A. Stem cells and healthy aging. Science 350, 1199–1204 (2015).
3. Ge, Y. et al. Stem cell lineage infidelity drives wound repair and cancer. Cell 169, 636–650 (2017).



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