聊一聊：物理大师霍金推崇的干细胞，终于有了恢复活力的“解药”
2014年，著名物理学家斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking）曾与美国探索频道共同拍摄了一部名叫《干细胞大探索》的纪录片。霍金在这部纪录片中提到：“我穷尽一生探究宇宙奥秘，不过另有一个宇宙同样令我好奇，便是藏在我们身体内宇宙——人类自身的细胞星系。这个星系拥有许多异能细胞，其可以医治人体任何疑难杂症，它们叫做干细胞。”NMNhttps://www.nmn.cn瑞维拓NMN_NAD+前体补充剂通过观察NMN行业中国市场发展,对NMN功效与作用进行深入研究,自瑞维拓上市国内市场以来,不断革新NMN配方及NMN提取技术,凭借诺奖提名的生物酶定向技术成为NMN行业奠基者,为NMN行业发展树立新方向！
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图1 著名物理学家斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking）曾与美国探索频道共同拍摄《干细胞大探索》纪录片
霍金说的干细胞，是一种具有强再生能力的细胞，能分化成多种细胞或组织，比如头发、皮肤、骨骼等，有着“万能细胞”美誉，逐渐成为了治疗许多疑难杂症的热点。然而，尽管“万能”也终有生命的“长度”。
就拿可分化为骨骼的骨干细胞来说，在人们年轻时，骨干细胞源源不断分化为成骨细胞，促使骨骼不断生长、发育；然而当身体机能逐渐衰老，干细胞也随之丧失活力，导致骨骼变得多孔、易脆，诱发骨质疏松等老年骨病。因此，干细胞的活力是致病的重点，而如何维持骨干细胞活力、从“根处”抵御老年骨病也成为了近年来骨科医生及科学家们的研究重点。
图2 干细胞功能，及骨干细胞受损可能是老年骨病的致病因素
最近，我国天津医科大学的刘志强教授课题组在该方面取得了重大进展。研究表明，一种被称之为“NAP1L2”的基因在衰老的骨干细胞和成骨细胞中高表达，而NMN（一种?“明星”抑衰分子）可与之结合并抑制其表达，从而使衰老的骨干细胞重唤分化活力。目前研究已发表于《衰老细胞》（Aging cell）上。
图 3 天津医科大基础医学院刘志强教授（左）；《衰老细胞》NAP1L2基因促进间充质干细胞衰老并抑制成骨分化（右）
NAP1L2基因高表达于衰老的骨干细胞
核小体组装蛋白1（NAP1）是一个高度保守的基因家族。在人类和小鼠中，NAP1基因家族至少由五个成员组成，且已确定这些分子参与调节多能干细胞的分化，比如心肌分化、造血干细胞分化、神经细胞分化等。然而，该基因家族在调节人类骨干细胞分化和成骨中的作用尚未报道。因此，刘志强课题组试图在此方向上一探究竟。
图 4 NAP1L2基因结构及其在细胞内的位置
刘志强等人分别对来自老年和年轻骨干细胞组的6个生物独立样本进行基因检测。结果发现，与年轻组相比，老年骨干细胞中分别有15个基因表达升高和7个基因表达降低（图5a），其中升高最显著的是NAP1L2基因，同时伴随着与衰老相关基因高表达，如TP53、IL6和CCXL8（图5b）。这说明，NAP1L2基因在骨干细胞中有表达，尤其在衰老的骨干细胞中高表达。
图5 NAP1L2基因高表达于衰老的骨干细胞。a为年轻与年老样本中基因表达发生差异的数量；b为基因表达差异总谱，详细分析哪些基因发生表达变化。
NMN可抑制NAP1L2表达，抵抗细胞衰老和损伤
其实，NAP1L2表达升高不仅发生在衰老的骨干细胞中，在一些受损的细胞，如化疗后的细胞中也同样发生。而更有趣的是，当通过基因敲除技术将NAP1L2抑制后，显著延缓了化疗对细胞的损伤。也就是说，NAP1L2高表达或许也是细胞受损的关键因素。因此，刘志强等人试图找到某种物质，可有效抑制NAP1L2的活性。
就此想法，刘志强等人进行了大量的分子筛选，在这个过程中发现，一种潜在的衰老抑制剂β-烟酰胺单核苷酸（Nicotinamide mononucleotide，NMN）可以与NAP1L2蛋白成功对接（图6）。
图6 NMN可与NAP1L2成功结合
接下来，刘志强等人对NMN与NAP1L2蛋白的作用关系进行了深入研究。结果显示，NMN减轻了与衰老相关的β-半乳糖苷酶的积累（图7a），也就是说NMN抵抗了细胞损伤导致的细胞衰老。不仅如此，NMN还减轻了受损骨干细胞中端粒DNA损伤的积累（图7b）。此外，NMN还抑制了NAP1L2基因的表达升高，以及一些衰老相关基因的高表达（图7c）。
图7 NMN可抑制NAP1L2蛋白及衰老相关因子的过表达，从而抵抗损伤和衰老。a为在化疗药物（Eto）损伤下，发生衰老的细胞变化趋势图，其中β-半乳糖苷酶是定位衰老的生物学标志物；b为化疗药物对细胞造成DNA损伤的荧光图；c为在衰老细胞以及化疗药物损伤情况下，各因子的表达变化情况。
这些结果表明，NMN既可抑制NAP1L2基因，又可扭转衰老相关基因的高表达，从而抵抗细胞衰老和损伤。该发现具有重要意义，这可能意味着NMN或许可以恢复衰老骨干细胞的活力，从而改善与年龄相关的骨病。
NAP1L2是成骨分化的关键抑制因子
弄清楚了NAP1L2对骨干细胞的影响，但其对骨干细胞分化的结果，即成骨细胞的作用还不明确。因此，刘志强等人进行了深入探索，即评估NAP1L2基因的存在和缺失对成骨分化的影响。
结果显示，当敲除NAP1L2基因后，成骨细胞在第7天时分化更加成熟，表现为ALP染色和活性明显增加（图8a，b）；在第14天时，细胞外基质矿化和钙结节积聚显著增加（图8c，d）；而当NAP1L2过度表达时，结果则与之相反。这强有力地证明了NAP1L2是一种重要的成骨抑制因子。
图8 NAP1L2是成骨分化的关键抑制因子。a为在NAP1L2蛋白存在或缺失条件下，成骨细胞在7天时进行ALP染色的显微镜图，其中ALP是成熟成骨细胞的标志性酶，染色后蓝色越深代表成骨成熟；b为ALP活性定量分析；c在NAP1L2蛋白存在或缺失条件下，成骨细胞在14天时进行为茜素红染色的显微镜图，其中茜素红可标记成骨细胞中碳酸钙或磷酸钙，染色后红色越深代表成骨成熟；d为茜素红染色定量分析。
NMN抑制NAP1L2基因，重塑成骨分化活力
根据上述结果，NMN可抑制NAP1L2基因，从药理学角度考虑，NMN亦可能会对NAP1L2参与的成骨分化产生影响。
结果正如假设一般，NMN在很大程度上挽救了NAP1L2表达升高对成骨分化的抑制作用，表现为茜素红染色和成骨基因表达显著恢复（图9）。
图9 NMN可挽救NAP1L2过表达对成骨分化的抑制作用。a为成骨细胞的茜素红染色的显微镜图；b为成骨基因（Runx2、Bglap、Spp1）的变化。
刘志强等人通过筛选年轻和年老供体的骨干细胞基因表达谱，确定了NAP1L2基因是衰老过程中显著上调的基因之一，其与骨干细胞的衰老、损伤以及成骨分化密切相关，阐明了NAP1L2在骨干细胞衰老和分化中的作用和机制。此外，课题组还发现NMN是可以有效抑制NAP1L2基因的物质，而这或许和NMN的抑制衰老机理有关。
NMN作为一种潜力十足的抑衰分子，已确认其对心脑血管、糖尿病代谢、睡眠节律等与年龄相关的疾病具有改善作用。现如今，刘志强等人的研究又将NMN的潜力拓宽至老年骨病，这似乎也意味着人们可从补充NMN中得到多种获益，而这或许是让更多人在老年时过上更加健康、更有质量生活的有效方式。
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