分泌型抗衰老蛋白Klotho调节骨髓间充质干细胞功能的分子机制研究

Mesenchymal stem cells (MSCs) play important roles in tissue repair and regeneration. The loss of stemness and MSCs exhaustion are believed to be causative reasons for organismal aging. Hence, searching for the singling pathways of regulating MSCs stemness and function contributes to a better tissue repair and extending lifespan. Klotho is an anti-aging protein, whose deficiency leads to premature aging and stem cell dysfunction in mice. We previously found that Klotho inhibited cell senescence, and the percentage of quiescent MSCs decreased in Klotho-deficient mice. Here, we hypothesized that secreted Klotho maintains MSCs in a quiescent state, which benefit the stem cell pool maintenance and healthy aging. In this study, we hope to screen and analyze the mechanism underlying secreted Klotho mediated-stem cell pool maintenance in a premature aging mouse model. Meanwhile, we plan to search for the receptor of secreted Klotho by our newly developed eBioID technique, and also unveil the downstream signaling pathway of secreted Klotho.

间充质干细胞是一种广泛分布的成体干细胞，其干性下降和数量耗竭是导致个体衰老的重要原因。寻找维持间充质干细胞干性的信号通路或因子有助于长久维持机体的修复功能从而延缓衰老。Klotho是一种可分泌型抗衰老蛋白，其基因缺陷小鼠表现出系统性早衰症状，多个组织的干细胞出现功能障碍。本课题组前期工作表明，Klotho蛋白可以抑制细胞衰老，Klotho缺失小鼠的骨髓间充质干细胞处于静息状态的比例显著下降。因此，我们提出“分泌型Klotho蛋白可以通过受体介导的信号通路维持间充质干细胞的静息状态，有利于稳定成体干细胞库”的假说。本项目拟利用Klotho缺失的早衰小鼠模型，研究分泌型Klotho蛋白对骨髓间充质干细胞静息维持与衰老的作用，分析其下游信号通路。同时应用BioID技术寻找分泌型Klotho蛋白的受体，完善Klotho蛋白维持间充质干细胞功能的分子机制，为未来从干细胞角度进行抗衰老研究提供新依据。

个体对组织损伤修复能力的下降是导致衰老相关疾病的重要原因。间充质干细胞可以作为衰老过程中机体修复的重要细胞来源。但在衰老个体中，间充质干细胞库会发生耗竭。因此，找到影响干细胞衰老的分子机制对于抗衰老研究具有重要价值。本项目利用早衰小鼠模型——klotho基因缺陷小鼠（kl/kl小鼠），研究了骨髓间充质干细胞耗竭的分子机制。我们发现klotho基因缺陷可以导致骨表型异常。从kl/kl小鼠骨髓中获得的间充质干细胞相较于野生型细胞增殖加快，但是干性功能下降。在分离的kl/kl骨髓间充质干细胞中mTORC1活性更高而自噬显著降低。此外，通过外加含有klotho蛋白（sKL）的培养基上清，可以抑制mTORC1活性并恢复自噬，从而挽救kl/kl骨髓间充质干细胞的过度增殖表型。最后，腹腔注射mTORC1抑制剂——雷帕霉素，可以恢复kl/kl骨髓间充质干细胞的静息状态比例，改善kl/kl小鼠骨表型，并显著延长kl/kl小鼠的寿命。这项研究提供了一种通过维持成体干细胞库的稳态，从而促进健康的骨老化的干预策略。在本项目的资助下，我们还取得了下列成果：（1）发现了细胞衰老过程中mRNA翻译下调的分子机制，并提出了一种可能靶向核糖体蛋白Rps15的抗衰老策略，成果发表在Frontiers in Cell and Developmental Biology杂志；（2）发现DTX2可以调节端粒酶的表达，可能成为潜在的抗衰老靶点，成果发表在iScience上；（3）开发了新型邻近标记技术系列工具PhastID、ScPhastID和PhastID-Plus，共申请专利3项。相关成果正在撰写论文中，争取早日发表在高水平杂志上。