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避免免疫細胞及器官老化的關鍵因子:Ercc1

醫療技術的進步使全球人類的壽命大幅延長,許多國家都邁入了高齡化社會。根據世界衛生組織的模型預估:到了 2025 年,全球 60 歲以上人口將接近 12 億人;而到了 2050 年,則會上升到 20 億人 [1]。隨著老化人口的增加,與老化相關疾病的重要性也逐漸浮出檯面。

老化是一個慢性的過程,而其特徵是會使細胞生理的完整性逐漸喪失,導致功能受損和死亡風險增加;而科學家也歸類出數種細胞老化的特徵 ( 圖一 ) [2],包括:基因體的不穩定性 ( genome instability )、端粒的損耗 ( telomere attrition )、表觀遺傳的變異 ( epigenetic alterations )、失去蛋白質的穩定性 ( loss of proteostasis )、失去養分的感測能力 ( deregulated nutrient sensing )、粒線體功能異常 ( mitochondrial dysfunction )、細胞衰老 ( cellular senescence )、幹細胞耗竭 ( stem cell exhaustion )、細胞間通訊的改變 ( altered intercellular communication ) 等。

圖一:細胞老化的特徵。
圖片來源:https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.05.039

由美國明尼蘇達大學領軍的研究團隊於今年五月發表的研究,以免疫細胞的角度出發,探討免疫系統老化 ( immunosenescence ) 與人類老化疾病的關聯性,尤其是全身性的器官老化 [3]。先前便有文獻回顧免疫系統老化的特徵,包括初始血球細胞 ( peripheral blood naïve cells ) 的數量下降、記憶型免疫細胞的數量上升、淋巴球功能異常等,最終可能導致老化性的發炎 ( inflamm-aging )、使人體無法正常抵禦病原感染或癌症侵襲 ,甚至是自體免疫疾病 ( autoimmune diseases ) 的產生  ( 圖二 ) [4]。

圖二:免疫系統老化的特徵。
圖片來源:https://doi.org/10.3389/fimmu.2019.02247

團隊於先前已指出一個具有DNA修復 ( DNA repair ) 功能的基因 Ercc1 的缺失對於肝臟細胞或其他細胞的老化有重要的影響 [5, 6]。在本篇研究,團隊檢視了 Ercc1 基因在免疫系統的老化是否有影響。由於免疫細胞是從造血幹細胞 ( hematopoietic stem cells; HSCs ) 分化而來,因此研究團隊首先建立了 Ercc1 條件式剔除 ( Ercc1 conditional knockout ) 的小鼠模型,使小鼠體內的造血幹細胞中 Ercc1 基因不完整且無法執行正常功能,進而檢視 Ercc1 在免疫細胞內的功能性角色。

本項研究主要被分成三大部分:

一、Ercc1 的基因缺失導致免疫系統的異常

雖然在青少年時期到成人時期並沒有表現型的差異,但到了中年時期 ( 約 8- 10 個月大 ) ,Ercc1 缺失的小鼠中,脾臟大小明顯小於野生型,除此之外,在 Ercc1 缺失的小鼠脾臟細胞內,T 細胞與 B 細胞的比率也明顯低於野生型;而 Ercc1 缺失的記憶型 T 細胞 ( memory T cells ) 較野生型多。

在分子層次上,Ercc1 缺失的小鼠胰臟細胞其 DNA 雙股斷裂的生物標記 γH2AX 的表現量明顯多於野生型,顯示 Ercc1 缺失的細胞正處在對基因組具有毒性的壓力 ( genotoxic stress ) 之下。而 Ercc1 缺失的老鼠 T 細胞中,細胞老化的生物標記也明顯多於野生型,顯示 Ercc1 缺失的老鼠 T 細胞老化程度更甚於野生型。

除此之外,團隊更對 Ercc1 缺失及野生型年輕小鼠進行以血藍蛋白 ( Keyhole Limpet Hemocyanin; KLH ) 為載體的疫苗接種,並在接種兩周後進行抗原感染,與此同時,團隊也利用中年小鼠做為對照組。實驗結果顯示:Ercc1 缺失的年輕小鼠與中年小鼠一樣抗 KLH 的抗體明顯少於野生型的年輕小鼠。除此之外,Ercc1  缺失的自然殺手細胞所誘導的細胞毒性 ( natural killer cell-mediated cytotoxicity ) 也較野生型弱。因此作者們根據上述結果認為:Ercc1 的缺失會導致免疫細胞數量下降及免疫功能的異常,符合免疫系統老化的特徵。

二、Ercc1 缺失導致的免疫系統老化與全身器官老化的關聯性

團隊們接下來想進一步研究 Ercc1 缺失所引發的免疫系統老化是否與非淋巴器官的老化有相關性,因此團隊檢視了各器官中兩個細胞老化重要因子的表現:p16 及 p21 蛋白 ( 註 )。團隊發現:在 Ercc1 缺失的小鼠中,許多非淋巴器官表現較高的 p16 及 p21。p16 表現較高的器官或組織包括:主動脈 ( aorta )、肺部 ( lung )、肝臟 ( liver )、腸胃道 ( gastrointestinal tract; GI tract )、腎臟 ( kidney ) 等。而 p21 表現較高的器官或組織包括:腸胃道、主動脈、胰臟、肝臟、腎臟等,顯示有許多非淋巴器官呈現老化狀態。除了老化狀態,這些器官及組織也呈現損傷狀態 ( tissue and organ damage )。

因此團隊好奇:若將 Ercc1 缺失的小鼠脾臟細胞移植到野生型小鼠體內,是否也出現老化導致的病理特徵呢?實驗結果顯示:接受 Ercc1 缺失的脾臟細胞的小鼠,在脾臟、主動脈、肺臟、腎臟、肝臟等器官都表現較高的 p16 及 p21 蛋白,證實  Ercc1 的缺失與免疫細胞及器官老化的關聯性。

三、Ercc1 及 Rapamycin 類似物扭轉免疫系統及非淋巴器官的老化

團隊更進一步將年輕野生型小鼠的脾臟細胞移植至 Ercc1 缺失的小鼠體內,實驗結果顯示:組織內的  p16 及 p21 的 mRNA 表現量顯著下降了,除此之外組織損傷的狀態也好轉。

根據先前文獻指出,mTOR 的抑制劑 Rapamycin 類似物 ( analogue ) 可以提高老年人的對於流感疫苗的免疫力並降低感染流感的比率,顯示免疫老化也可以藉由 Rapamycin 的類似物調節 [7],因此團隊想檢驗 Rapamycin 類似物能否扭轉 Ercc1 缺失所導致的免疫老化。結果指出:經過 Rapamycin 類似物處理的 Ercc1 缺失小鼠,其 T 細胞中的 p16 及 p21 的 mRNA 表現量明顯下降,表示 Rapamycin 類似物可以扭轉免疫老化。

根據上述結果,團隊認為:免疫細胞對因 Ercc1 缺失而導致的內在 DNA 損傷非常敏感,若沒有被適當修復,會導致細胞衰老或死亡。除此之外,免疫細胞的老化也會導致免疫反應的異常,尤其是 T 細胞及自然殺手細胞,更會牽動非淋巴器官的老化及導致其他老化的相關病徵,因此若能扭轉免疫細胞的老化,將為老化相關疾病的治療帶來一線曙光。

註:p16 與 p21 蛋白可以調控細胞週期的進程。若其表現量增加會導致細胞老化,因此可以做為細胞老化的生物標記 ( biomarkers )。

參考文獻:

  1. Available, online at: https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/ageing-and-health
  2. López-Otín, C., Blasco, M. A., Partridge, L., Serrano, M., & Kroemer, G. (2013). The hallmarks of aging. Cell, 153(6), 1194-1217. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.05.039
  3. Yousefzadeh, M.J., Flores, R.R., Zhu, Y. et al. An aged immune system drives senescence and ageing of solid organs. Nature 594, 100–105 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03547-7
  4. Aiello, A., Farzaneh, F., Candore, G., Caruso, C., Davinelli, S., Gambino, C. M., … & Accardi, G. (2019). Immunosenescence and its hallmarks: how to oppose aging strategically? A review of potential options for therapeutic intervention. Frontiers in immunology, 10, 2247. https://doi.org/10.3389/fimmu.2019.02247
  5. Gregg, S. Q., Gutiérrez, V., Rasile Robinson, A., Woodell, T., Nakao, A., Ross, M. A., … & Niedernhofer, L. J. (2012). A mouse model of accelerated liver aging caused by a defect in DNA repair. Hepatology, 55(2), 609-621. https://doi.org/10.1002/hep.24713
  6. Guevara, A. P. H., McGowan, S. J., Kazantzis, M., Stallons, T. R., Sano, T., Mulder, N. L., … & Kruit, J. K. (2021). Increased insulin sensitivity and diminished pancreatic beta-cell function in DNA repair deficient Ercc1d/− mice. Metabolism, 117, 154711. https://doi.org/10.1016/j.metabol.2021.154711
  7. Mannick, J. B., Del Giudice, G., Lattanzi, M., Valiante, N. M., Praestgaard, J., Huang, B., … & Klickstein, L. B. (2014). mTOR inhibition improves immune function in the elderly. Science translational medicine, 6(268), 268ra179-268ra179. https://doi.org/10.1126/scitranslmed.3009892

撰文|蕭皓文
審稿|黃玟瑜

About the author

蕭皓文

蕭皓文

目前就讀於日本東京大學醫科博士班,同時也是個免疫學家。目前的研究著重於免疫細胞分化的調控與癌症進程的分子機轉。曾在中研院參與兩年的免疫療法研究。

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