衰老过程中的干细胞——作为“基因组守护者”的信号蛋白p53

老年医学中的分子医学旨在破译衰老过程的机制，并开发提高老年人生活质量的方法。干细胞研究是这一领域最重要的活动之一。

干细胞种类繁多，在衰老过程中起着至关重要的作用。有些干细胞与胚胎发育有关。它们是多能的，能够形成一个有机体的所有细胞类型。这些胚胎干细胞在成人中不再出现。它们只是作为器官特异性的体细胞继续存在，即能够从一个器官类型形成两种或三种不同的细胞类型。例如，骨髓干细胞只能像免疫细胞和红细胞一样作为造血系统的细胞分化。皮肤干细胞形成新的皮肤细胞。

对我们来说，成人干细胞特别有趣，因为它们已经存在于组织中，并在衰老过程中继续存在。然而，器官特异性干细胞与其他细胞并无区别，因为随着年龄的增长，组织的再生能力会迅速下降。我们想找出原因，寻找刺激成体干细胞的方法，使其更有效地分裂和再生组织。一、 例如，研究了信号蛋白p53和p21。

我需要在这里提供一些背景信息。有机体衰老有几个原因。在这个过程中一个重要的方面是染色体末端的端粒，它作为一种“保护帽”来保存细胞的遗传信息。由于所谓的“末端复制问题”，每次细胞分裂时都会丢失一小块保护帽。从某种意义上说，端粒不再能够执行它们的保护功能。这可能会导致遗传信息的丢失，染色体不稳定，从而导致细胞的退化。细胞通常是肿瘤发展的原因。因此，一种机制被触发，阻止这些细胞进一步分裂。这种被认为可以防止肿瘤发展的保护机制是由一个极其重要的信号分子p53激活和控制的。这种蛋白的重要性可以从p53在90%的癌症病例中停止正常工作或完全缺失这一事实中看出。

这种端粒的缩短也发生在干细胞中。在这里，p53也被激活以阻止干细胞的进一步分裂。

如果你想象一系列信号，蛋白p21位于p53之下，并且依赖于它的激活。如果p53被激活，它可以启动决定细胞命运的两种不同信号通路。一方面，p53的激活可以通过p21导致细胞仍然能够发挥功能，但不再能够分裂。细胞的分裂能力被永久性抑制：我们这里说的是衰老。另一方面，当端粒缩短过快，遗传信息进一步受损时——例如，由于基因突变紫外线辐射–p53可通过PUMA蛋白启动细胞凋亡。在这种情况下，有一个目标细胞死亡。

我们现在越来越有能力理解由于衰老而导致的细胞端粒缩短以及干细胞功能和再生潜能的丧失所导致的后果。我们的理想目标是减缓衰老过程，提高衰老组织的再生潜力，并防止肿瘤的增加发展。要做到这一点，我们需要详细分解这些过程，并了解干细胞在衰老过程中的功能。这些知识将帮助我们找到如何“智能地”控制各种信号蛋白，使之对我们有利。

干细胞是一个重要的研究领域。在德国，由于对使用胚胎干细胞存在伦理上的疑虑，科学家们正越来越多地关注成体干细胞。然而，伦理问题并不是胚胎干细胞的唯一问题。由于它们能够分化成各种类型的组织和细胞，理论上具有巨大的应用潜力。然而，在现实中，在临床应用中很难将胚胎细胞送到正确的位置，使它们只产生所需的细胞类型而不引起任何不必要的退化。

因此，科学家使用自己的器官特异性干细胞可能是一个优势。首先，这些成体干细胞已经在需要它们的地方，其次，它们只能分化成少数器官特定的细胞类型。这降低了细胞退化的可能性。

在医院里，这种可能性已经被用于移植患者自身或外来的造血干细胞。用于治疗癌症的化疗和放疗也会杀死其他经常分裂的细胞，如毛细胞以及免疫和造血系统的细胞。干细胞在治疗前从患者身上提取，治疗后再返回，以恢复免疫和造血系统的功能。

例如，这也是通过医生从健康捐赠者那里移植骨髓干细胞来治愈白血病的方法。这种干细胞移植方法本质上非常简单，因为细胞可以通过血液分布。然而，在肝脏等实体器官中，这并不是那么容易做到的。在这里，能够利用器官本身的干细胞将是一个巨大的优势。

端粒不是衰老的唯一原因。它也是由体内自然产生的物质引起的，如可溶性因子、细胞因子和血液中循环的激素。随着我们年龄的增长，它们的释放方式和我们身体的反应能力都会发生变化。这会导致细胞或整个器官功能的恶化。这是另一个需要更详细研究的领域。由于这些内源性物质可以在我们的血液中检测到，它们有可能成为生物标记物，为我们提供器官或整个生物体的“年龄”信息。

在我的论文中，我使用了一个模拟人类衰老过程的老鼠模型。在这个系统中，作为对短端粒的反应而激活保护机制的信号蛋白p53在肠上皮中被关闭。p53的缺失导致小鼠衰老更快。基因改变的非功能性干细胞仍然存在，小鼠死亡时间更短。

因此，小鼠寿命较短，但没有肠道肿瘤。事实上，我们发现这是由于肠干细胞的丢失，而肠干细胞是肠上皮正常再生所必需的。我们还发现，试图保持肠上皮功能的少数剩余干细胞经常表现出基因组突变，从而导致器官功能失调。

我们选择肠道作为模型系统有几个原因：

在我们使用的端粒酶缺陷小鼠衰老模型中，造血系统和肠道的作用最大。肠道再生能力的降低会导致功能失调。肠道不再能够吸收和利用营养。我们还知道干细胞在肠道中的位置以及它们分化成的细胞类型。除此之外，肠道具有良好、易于检查的结构，即具有明显的表型。干细胞分裂频繁，沿绒毛直至其顶端均可观察到分化。

为了研究p53在衰老过程中的作用，我们想要关闭这些小鼠中的p53蛋白。如前所述，p53参与了大多数癌症类型的发展。整个小鼠体内缺乏这种蛋白会导致淋巴瘤的发生，这使得在衰老过程中检测p53变得相当困难。因为我们想要避免这种情况，我们使用了端粒酶缺陷小鼠的衰老模型，在该模型中，p53蛋白只在肠道中被关闭。

这些见解对于理解衰老过程具有重要意义。最重要的是干细胞发生了什么:当没有p53时，非功能性肠干细胞不再被移除，失去了形成完整肠上皮的能力。因此，p53的功能是一种细胞屏障——它能将非功能性干细胞分类，阻止肿瘤的发展和非功能性分化细胞的器官再生。有趣的是，p53在人类系统中的活性总体上下降，这可能部分解释了肿瘤发展的增加和更明显的衰老过程。我们现在正在寻找一种方法来保持或增加p53的活性。如果我们能减少变异干细胞的数量，从而减缓组织的老化速度，那将是有帮助的。当然，这也会阻止肿瘤的发展。最重要的是，它还应该保持器官更好的功能和更长的时间。我们的最终目标不是延长寿命，而是提高老年生活质量。痴呆症、肝硬化、关节疼痛等疾病都与年龄有关。 It would naturally be good if we could boost the regeneration capacity of our own organs so that we could grow old healthily with a high quality of life.

激光显微切割具有分离单个细胞或特定细胞类型的巨大优势。细胞培养物由某种细胞类型的均匀群体组成。然而，组织是由不同类型的细胞组成的。因此，器官主要由维持其特定功能的不同分化体细胞组成。特定于该器官的细胞只占整个器官的极小百分比。从整体上看，他们的代表性相当低。为了研究特殊的干细胞特异性机制，我们可以使用激光显微切割技术来切割组织中特定标记物可见的干细胞。这是以有针对性的方式检查定义的“干细胞池”和分化细胞的唯一方法。我们现在可以展示干细胞或其他分化细胞群中的重要信号级联和蛋白质，以及它们是如何调节的。激光显微切割在这里开辟了全新的途径。

徕卡最有用的功能LMD该系统使用激光精确分离细胞，并利用重力将解剖物转移到细胞帽上。该系统使我能够卫生地工作，不含RNA和DNA酶。它确保快速、温和、无污染地分离样品，同时操作简单。触摸屏特别省时、方便。有了这个工具，我们可以直接标记和解剖任意数量的特定类型的细胞。我们还喜欢cap控制功能，它使我们能够检查解剖物是否在我们使用的Eppendorf杯的预期盖子中。

在未来，单个特定细胞群的研究——而不是完整的组织——将变得越来越重要。清洁和无污染的细胞隔离在这里很重要。

需要指出的是，不仅有基因组变化，即DNA序列的直接修改，还有表观遗传变化。这些并不直接涉及DNA的丢失，而是导致对遗传信息的错误或不同解读。

我们想要检查和理解是什么使一个细胞变成干细胞或分化细胞，即使DNA本身总是一样的。我们仍然需要大量的研究来阐明这些机制:在这个过程中表达的蛋白质，以及我们如何最终控制细胞的再生。以肝硬化等慢性肝病为例。首先，肝脏能够替代死亡的肝细胞。逐渐地，分化的肝细胞的再生能力被耗尽，更多的结缔组织形成。这些纤维化区域占据了肝细胞的空间，却不能执行它们的功能。在这种情况下，不仅可以激活肝干细胞，还可以刺激它们产生肝细胞。

当然，找出干细胞分化为相关细胞类型所需的刺激对我们来说很重要。这不仅能给我们提供老化过程的关键信息。我们还可以利用这些知识治疗慢性病。

下载应用笔记“单肠隐窝比较基因组杂交”