Cell Stem Cell | 汤楠实验室揭示衰老导致肺泡干细胞再生障碍的新机制

2023年8月3日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院汤楠实验室在Cell Stem Cell杂志在线发表了题为“Enhanced glycolysis-mediated energy production in alveolar stem cells is required for alveolar regeneration”的研究论文。该研究揭示了调控肺泡干细胞分化的机制，并解析了衰老如何导致肺泡再生障碍。

肺泡再生对于维持体内稳态和修复肺损伤过程中的肺泡上皮屏障的完整性和足够的气体交换表面至关重要。肺泡上皮II型细胞(AT2)作为肺泡干细胞主导肺泡再生，会分化产生具有气体交换功能的肺泡上皮一型细胞(AT1)1。在多种衰老相关的急性和慢性肺部疾病中，特别是特发性肺纤维化和 COVID-19 死亡的患者中，肺泡干细胞常常表现异常，导致肺泡再生受损，加重疾病的恶化程度2-4。临床研究发现，COVID-19感染导致的急性肺损伤患者在经过胸部CT随访6个月后，年龄大于50岁是肺部持续性纤维化的独立预测因素5。因此，了解衰老如何影响肺泡干细胞的再生能力对研究肺疾病的发病机制和开发有效的治疗方案至关重要。

研究团队首先评价了不同年龄的小鼠在肺损伤后的肺泡再生能力，并发现年龄超过12个月的小鼠的肺泡干细胞的分化能力发生显著降低。小鼠年龄的12个月对应着人类的40-50岁，这个年龄正好是人类肺功能逐步降低，肺相关疾病发生率显著升高的时期。因此，这个动物模型能够很好地对应人肺组织的衰老相关改变。随后，研究人员通过单细胞测序对比分析了年轻和年老小鼠肺泡干细胞的转录组，发现年老小鼠分化状态的肺泡干细胞(Regenerative AT2 cells)中AMPK信号通路相关基因的表达发生了显著降低。接着，研究人员在肺泡干细胞和处于分化状态的肺泡干细胞中特异性地敲除了激活AMPK关键的上游激酶Stk11基因后，发现肺泡再生都发生了受损，验证了STK11介导的AMPK信号通路的激活对于肺泡干细胞的分化是必需的。

AMPK是细胞内维持能量代谢稳态的关键分子6。而肺泡干细胞在肺泡再生过程的能量代谢特征目前还不清楚。作者结合体内外的细胞代谢分析，首次发现肺泡干细胞的分化是一个高度消耗能量的过程。通过小鼠体内13C葡萄糖同位素代谢追踪实验以及体外原代肺泡干细胞的能量代谢分析，作者发现肺泡干细胞在分化过程中通过调控糖酵解途径来增加能量代谢，以支持其活跃的细胞骨架重排，实现快速分化。当AMPK信号通路受损时，干细胞内激活的糖酵解途径被抑制，导致肺泡干细胞的分化能力显著下降，从而引发肺泡再生障碍。值得一提的是，AMPK小分子激动剂AICAR的应用则能够显著激活肺泡干细胞的糖酵解途径，进而修复肺泡再生功能。

作者进一步研究发现，AMPK通过磷酸化促进糖酵解关键酶PFKFB2的活性来调控肺泡再生的。在肺损伤修复过程中，作者观察到年轻小鼠的肺泡干细胞中磷酸化PFKFB2的水平会显著增加，而年老小鼠的肺泡干细胞内PFKFB2却无法被激活。然后，研究团队构建了PFKFB2的磷酸化位点突变的小鼠品系并对PFKFB2在肺泡干细胞中的功能进行验证。结果显示不能被磷酸化的突变会导致肺泡干细胞的糖酵解代谢和分化能力显著降低，而在年老的肺泡干细胞中持续性激活PFKFB2磷酸化，能够显著促进年老小鼠的肺泡再生。这些实验结果进一步证实了AMPK信号通路通过激活PFKFB2来增强糖酵解介导的能量代谢，从而推动肺泡干细胞的分化，实现肺泡的再生和加快肺纤维化的消退。

在新冠病毒感染引发肺损伤后，人的肺泡干细胞会被激活并开始进行肺泡再生7。在对新冠病毒感染的病人肺组织进行验证时，结果同样支持上述发现。正在分化的肺泡干细胞也表现出显著增强的磷酸化PFKFB2水平。此外，使用PFKFB2抑制剂能够显著抑制体外培养的人肺泡干细胞的分化能力。这些结果都证实了AMPK激活的PFKFB2对人的肺泡干细胞分化同样具有重要作用。

综上所述，该研究利用衰老诱导肺泡再生障碍的动物模型，解释了为什么随着年龄增长，肺泡再生受损现象会变得更加普遍，揭示了肺泡干细胞分化过程中能量代谢的重要性。肺组织损伤后，响应显著改变的力学环境和再生信号，肺泡干细胞需要快速调整其新陈代谢，为其分化提供足够的能量。AMPK-PFKFB2信号通路通过调控糖酵解介导的能量代谢，在肺泡干细胞分化中发挥关键调控作用。肺泡干细胞的功能紊乱与多种肺疾病的发生具有密切联系，促进肺泡再生对于肺泡疾病和纤维化消退的治疗具有重要意义。本研究通过小分子化合物或遗传学方法激活AMPK-PFKFB2信号通路，证实能够有效促进衰老干细胞的再生功能，为临床开发衰老相关肺部疾病的治疗方法提供了一个重要方向。

北京生命科学研究所汤楠实验室博士后王诤为本论文的第一作者。本论文的其他作者还包括汤楠实验室的魏东东、宾恩楠、姜克武、毛晓旭，影像中心的李蛟博士，转基因动物中心的王凤超博士，以及中日友好医院的代华平教授和吕婷婷博士。汤楠博士为本论文的通讯作者。感谢北生所代谢中心马燕博士，蒋辉博士对该研究的指导。本研究由科技部、国家自然科学基金委和北京市政府共同资助，在北京生命科学研究所完成。

1. Barkauskas, C.E., Cronce, M.J., Rackley, C.R., Bowie, E.J., Keene, D.R., Stripp, B.R., Randell, S.H., Noble, P.W., and Hogan, B.L. (2013). Type 2 alveolar cells are stem cells in adult lung. J Clin Invest 123, 3025-3036. 10.1172/JCI68782.

2. Schneider, J.L., Rowe, J.H., Garcia-de-Alba, C., Kim, C.F., Sharpe, A.H., and Haigis, M.C. (2021). The aging lung: Physiology, disease, and immunity. Cell 184, 1990-2019. 10.1016/j.cell.2021.03.005.

3. Ting, C., Aspal, M., Vaishampayan, N., Huang, S.K., Riemondy, K.A., Wang, F., Farver, C., and Zemans, R.L. (2022). Fatal COVID-19 and Non-COVID-19 Acute Respiratory Distress Syndrome Is Associated with Incomplete Alveolar Type 1 Epithelial Cell Differentiation from the Transitional State without Fibrosis. Am J Pathol 192, 454-467. 10.1016/j.ajpath.2021.11.014.

4. Parimon, T., Yao, C., Stripp, B.R., Noble, P.W., and Chen, P. (2020). Alveolar Epithelial Type II Cells as Drivers of Lung Fibrosis in Idiopathic Pulmonary Fibrosis. Int J Mol Sci 21. 10.3390/ijms21072269.

5. Verity, R., Okell, L.C., Dorigatti, I., Winskill, P., Whittaker, C., Imai, N., Cuomo-Dannenburg, G., Thompson, H., Walker, P.G.T., Fu, H., et al. (2020). Estimates of the severity of coronavirus disease 2019: a model-based analysis. Lancet Infect Dis 20, 669-677. 10.1016/S1473-3099(20)30243-7.

6. Trefts, E., and Shaw, R.J. (2021). AMPK: restoring metabolic homeostasis over space and time. Mol Cell 81, 3677-3690. 10.1016/j.molcel.2021.08.015.

7. Chen, J., Wu, H., Yu, Y., and Tang, N. (2020). Pulmonary alveolar regeneration in adult COVID-19 patients. Cell Res 30, 708-710. 10.1038/s41422-020-0369-7.