賽多利斯科研獎獲獎研究簡報 - 痛苦記憶的治愈力量

Shruti Naik
《科學(xué)》2018年3月9日：
第359卷，第6380期，第1113頁
DOI：10.1126/science.aat0963

我們身體的上皮是一道屏障，它與外界環(huán)境交互作用，時常發(fā)生炎癥。盡管其中絕大多數(shù)的炎癥反應(yīng)都會消退，但是它們會在組織上留下記憶。通常認(rèn)為免疫系統(tǒng)的細(xì)胞承載著這些記憶，這樣就能對后續(xù)的炎癥刺激更快地做出應(yīng)答（1, 2）。但是，屏障組織由上皮、間質(zhì)、神經(jīng)、血管和免疫網(wǎng)絡(luò)組成，這些組織協(xié)同運作，在健康與疾病狀態(tài)下發(fā)揮最佳的功能。不同于免疫系統(tǒng)，這些組織固有細(xì)胞在受到干擾時是否也參與記憶，這一問題仍有待解決。

追蹤炎癥中的組織干細(xì)胞

成體干細(xì)胞負(fù)責(zé)機(jī)體整個生存期組織的維持（3）。因此，我與一些組織干細(xì)胞和染色質(zhì)生物學(xué)家合作，以期了解炎癥對表皮干細(xì)胞的持久影響。在我們整個研究期間，我們發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞具有驚人的炎癥“記憶”能力，最終的結(jié)果是增強了細(xì)胞的再生潛能。

為了誘導(dǎo)急性炎癥反應(yīng)，我們采用了一種成熟而且可自愈的炎癥模型，即用TLR7激動劑咪喹莫特（IMQ）誘導(dǎo)小鼠皮膚炎癥（4）。對皮膚上皮干細(xì)胞和分化的后代細(xì)胞進(jìn)行基于誘導(dǎo)性標(biāo)志物的原基作圖 (5) 顯示，皮膚基底上皮干細(xì)胞 （EpSC）不僅在炎癥時會擴(kuò)增，而且持續(xù)時間超過180天。在反應(yīng)高峰時，EpSC表達(dá)IMQ炎癥的所有標(biāo)志，包括過度增殖、STAT3活化以及細(xì)胞死亡增加，但在炎癥消退后會恢復(fù)到基線水平。

發(fā)生過炎癥的皮膚愈合更快

組織修復(fù)是干細(xì)胞的主要功能（6）。因此，我們試圖探討既往的免疫反應(yīng)如何改變干細(xì)胞應(yīng)對二次刺激的能力。我們在發(fā)炎后的皮膚上制造創(chuàng)傷，令人驚訝的是，炎癥后表皮傷口愈合速度是正常對照的2.5倍（7）。在初次炎癥后180天，以及各種急性刺激后，包括原發(fā)創(chuàng)傷、真菌感染、特應(yīng)性皮炎模型以及另一種增生模型，也能觀察到創(chuàng)傷修復(fù)加快，所有結(jié)果均表明我們這一發(fā)現(xiàn)的普遍性以及該效應(yīng)的持久性。盡管對照組和炎癥后創(chuàng)傷組的EpSC增殖情況相當(dāng)，但經(jīng)歷過炎癥的EpSC的遷移能力顯著增強。

接下來我們試圖確定這些觀察到的增強效應(yīng)的上游調(diào)節(jié)因子。為此，我們排除了循環(huán)因子對炎癥后創(chuàng)傷修復(fù)的調(diào)控作用，因為初始炎癥部位遠(yuǎn)端的創(chuàng)傷并未表現(xiàn)出愈合加速效應(yīng)。另外，我們確定了炎癥后創(chuàng)傷修復(fù)增強的發(fā)生與皮膚固有的巨噬細(xì)胞和稽留的Rorc+免疫細(xì)胞無關(guān)。上述結(jié)果啟發(fā)我們，這可能是炎癥導(dǎo)致EpSC內(nèi)發(fā)生持久性改變所致。

染色質(zhì)改變是記憶的關(guān)鍵

最近的研究顯示，天然免疫細(xì)胞的持續(xù)性表觀遺傳學(xué)改變可改變其對后續(xù)刺激的反應(yīng)性（1）。為了確定EpSC能否同樣編碼對既往炎癥的記憶，我們評估了炎癥時和炎癥后表皮干細(xì)胞染色質(zhì)開放性的變化。

盡管最初的炎癥反應(yīng)會導(dǎo)致EpSC的染色質(zhì)開放性發(fā)生劇烈改變（>40,000個區(qū)域），在穩(wěn)態(tài)恢復(fù)后絕大多數(shù)炎癥誘導(dǎo)性開放區(qū)域均會復(fù)原（7）。然而令人驚訝的是，小部分開放的染色質(zhì)區(qū)域得以保留（9561個峰），其中約2000個是在初始炎癥中獲得的。與這些獲得的峰相關(guān)的基因集中在凋亡信號、白介素信號、氧化應(yīng)激反應(yīng)、Ras和PI3激酶通路方面。

有趣的是，轉(zhuǎn)錄因子MOTIF分析顯示，炎癥影響的染色質(zhì)區(qū)域集中在EpSC穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)錄因子（如p63、KLF5和AP-1）以及炎性轉(zhuǎn)錄因子（如STAT1/3和NF-κB）。STAT3是IMQ反應(yīng)的主要介導(dǎo)因子（8），在初始（IMQ）和二次（創(chuàng)傷）刺激時均會磷酸化并激活，而在中間期則不會（7）。

因此，我們的數(shù)據(jù)揭示出一種模式，在此模式下記憶性染色質(zhì)區(qū)域起到了開放式平臺的作用，在受到二次刺激時可以快速重新激活。實際上，利用這些記憶性染色質(zhì)區(qū)域編碼的熒光報告蛋白，我們發(fā)現(xiàn)這些持續(xù)開放區(qū)域具有感受炎癥應(yīng)激的功能。

發(fā)生過炎癥的干細(xì)胞表達(dá)組織損傷傳感器

如果這些開放式染色質(zhì)元件確實可形成記憶，那么我們預(yù)想二次創(chuàng)傷將導(dǎo)致其相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄增加。驚人的是，對發(fā)生過炎癥的EpSC在二次創(chuàng)傷后不久進(jìn)行轉(zhuǎn)錄譜分析顯示，有140種基因快速上調(diào)，其中50%以上的基因與炎癥后持續(xù)開放性染色質(zhì)區(qū)域有關(guān)（7）。

這些轉(zhuǎn)錄改變集中在炎癥小體信號通路方面，包括雙鏈DNA傳感器、黑色素瘤缺乏因子2（Absence in Melanoma 2，AIM2），后者可監(jiān)測組織損傷（9）。值得注意的是，Aim2缺陷的干細(xì)胞喪失了炎癥賦予的創(chuàng)傷修復(fù)優(yōu)勢，而提高EpSC的Aim2表達(dá)可恢復(fù)這種表型（7）。進(jìn)一步研究顯示，AIM2炎癥小體的下游效應(yīng)器IL-1β介導(dǎo)了這一效應(yīng)�？傊�，炎癥刺激可調(diào)節(jié)EpSC功能，使其適應(yīng)后續(xù)的應(yīng)激。

調(diào)控記憶

上述發(fā)現(xiàn)顯示，炎癥記憶不僅局限于免疫系統(tǒng)，同樣也存在于長壽的組織干細(xì)胞中。然而，目前尚不清楚記憶是否僅因炎癥而發(fā)生，也不清楚干細(xì)胞能否保留對既往所有應(yīng)激源的記憶。而且，現(xiàn)在也不清楚這種適應(yīng)機(jī)制是否總對機(jī)體有益，還是也可能產(chǎn)生不利效應(yīng)，例如導(dǎo)致炎癥疾病復(fù)發(fā)、腫瘤形成或過早衰老。

有趣的是，衰老時創(chuàng)傷反應(yīng)受損與皮膚免疫失調(diào)有關(guān)（10）。重復(fù)應(yīng)激導(dǎo)致的表觀遺傳學(xué)變化累積（11）可能導(dǎo)致衰老干細(xì)胞再生能力減弱。因此，我們要了解EpSC是如何建立記憶的——它會傳遞給分化的后代細(xì)胞嗎，以及它會被逆轉(zhuǎn)嗎——這些對于微調(diào)干細(xì)胞驚人的組織再生能力十分重要。

我們的工作表明，炎癥重編程對組織愈合能力有持久影響。了解干細(xì)胞記憶炎癥的觸發(fā)因子，可能有助于最終開發(fā)出改善干細(xì)胞再生潛能的治療方法。

References
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本文由賽多利斯翻譯，閱讀英文原文請點擊：

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