Cell子刊:为啥越老越怕冷?竟是因为免疫细胞“叛变”了!

2021
09/09

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生物世界
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为了抵御寒冷造成的潜在伤害,人类机体进化出了自我保护的机制,可以从体内储存的脂肪中产生热量,以维持核心体温。然而,随着年龄的增长,人们越来越容易患感冒以及炎症和代谢问题,这同时可能导致许多慢性疾病。


越来越多的证据表明,免疫系统可通过控制机体炎症来维持脂肪组织的稳态。例如,内脏脂肪组织(VAT)中的免疫细胞可以参与调控炎症及调节禁食诱导的脂肪分解、胰岛素抵抗等。


尽管几十年的研究已经确定了抵抗病原微生物的先天和适应性免疫过程,但只有为数不多的研究对负责维持组织稳态的组织驻留的免疫细胞进行了探索,关于其如何调节衰老过程以及在衰老过程中的动态变化仍然知之甚少。


脂肪组织老化的特征是炎症加剧,轻度胰岛素抵抗和禁食诱导的脂肪分解抵抗等。这些表型在衰老脂肪组织中也有许多不同之处,其中不同免疫群体的组成和活动是导致其差异的原因之一。


例如,调节性 T 细胞(Treg)在脂肪细胞中具有保护作用,但它们的积累在衰老过程中是有害的;脂肪 B 细胞获得一种独特的衰老表型,与寒冷耐受有关。然而,截至目前,在衰老的脂肪组织中,单细胞尺度解析组织驻留免疫细胞转录组的详细描述仍然缺乏。


2021 年 9 月 1 日,加州大学旧金山分校的研究团队联合耶鲁大学医学院的科学家在 Cell Metabolism 期刊在线发表了题为:IL-33 causes thermogenic failure in aging by expanding dysfunctional adipose ILC2s 的研究论文。


该研究首次在单细胞水平下报道了脂肪组织免疫细胞亚群的年龄相关变化,包括 2 型固有淋巴细胞(ILC2s)的急剧丢失;此外,在衰老过程中,IL-33 会增加具有内在缺陷的致病性 ILC2s,进而促进促炎反应和降低脂肪组织弹性。



衰老导致内脏脂肪免疫组成的改变


首先,通过流式细胞术和特定的标记基因,他们从成年和衰老小鼠的脂肪组织中特异分离出组织驻留免疫细胞,然后进行单细胞转录组测序(scRNA-seq)。数据分析结果表明,随着衰老,巨噬细胞会减少并且会伴随着 CD4、CD8、B、Tregs 细胞的增加,这些结果与之前的研究一致。


除此之外,他们在衰老脂肪组织中还发现了严重的 NK 损失,其中最显著的变化是 2 型固有淋巴细胞(ILC2s)。由于其在促进代谢健康和耐寒方面的重要作用,研究团队将研究重点放在了 ILC2s。



 

研究人员发现,内脏脂肪组织的 ILC2s 在整个生命周期中都有存在。此外,由于 ILC2s 是 IL-5 的重要来源,因此它还是嗜酸性粒细胞的主要调节因子,而在衰老过程中嗜酸性粒细胞的比例也在下降。



 

衰老脂肪组织中 IL-33 的失调是 ILC2s 缺失的基础


IL-33 是调节 VAT 中 ILC2s 的主要细胞因子,IL-33 是由年轻小鼠 Pdgfra+间充质祖细胞和血管周围的内皮细胞产生的。然而,当研究人员使用 scRNA-seq 数据检测在衰老小鼠中哪些细胞类型表达 Il33,结果发现其 Il33 基因的表达仅限于一群表达 Msln 的细胞群体中,而不是 Pdgfra+细胞这些数据表明,在衰老过程中,脂肪组织中 IL-33 的细胞来源发生了转换


qPCR 的检测结果显示,与年轻的小鼠相比,老年小鼠的 VAT 中 Il33 的表达总体增加,但皮下脂肪组织中并没有增加。有趣的是,随着 IL-33 的增加,衰老导致编码 IL-33R 的 Il1rl1 转录变体在老年 VAT 中特异性表达增加,而在血清中并没有发生变化。



 

接下来,他们检测了在老年小鼠中提供过量的 IL-33 是否可以改变其失调状态,并恢复 ILC2s。结果表明,用 IL-33 治疗老年小鼠的确可恢复老年脂肪组织中 ILC2s 的数量,同时,脂肪组织中也有大量的嗜酸性粒细胞增多


那么这种 ILC2s 的增加是否会对老化的内脏脂肪组织产生持续的生物学影响?事实上,在停止 IL-33 治疗后 6-8 周时,ILC2s 和嗜酸性粒细胞的数量仍然是持续增加的。IL-33 在脂肪组织中可诱导产生 UCP1,并增加年轻和肥胖小鼠的生热作用。



 

那么 IL-33 治疗增加的 ILC2s 对纠正衰老引起的脂肪组织代谢缺陷有何影响?结果发现,与对照组小鼠相比,IL-33 治疗并没有增强能量消耗或影响呼吸交换比率;此外,IL-33 治疗也没有改变脂肪质量组成或糖耐量。这些数据表明,对 IL-33/ILC2s 轴在代谢健康中的作用了解可能不完整,仍然需要进一步的研究来确定 IL-33 的功能。



老化 ILC2s 细胞存在固有缺陷


之前有研究报道,在寒冷环境下,IL-33 处理的老年小鼠的生热反应会发生障碍,并且其死亡率也会增加,这也许是因为增加了 ILC2s 和嗜酸性粒细胞导致的。为了检验这种可能性,他们用 IL-33 治疗成年和老年小鼠,然后对 VAT 的 ILC2s 进行转录组测序分析。


基因集富集分析结果显示,在成年和老年小鼠中 ILC2s 的转录程序发生了显著变化。成年小鼠由于 IL-33 治疗而增加的 ILC2s 表现出增殖、转录和翻译途径的富集,与它们自身更新的机制一致;相比之下,老年小鼠由于 IL-33 治疗而增加的 ILC2s 在细胞因子信号通路和激活通路中富集



 

重新评估 scRNA-seq 数据显示,脂肪组织驻留的 T 细胞表达高水平的 Ifng,它们的积累可能有助于老年 ILC2s 的促炎表型。



 

最后,为了直接测试衰老小鼠中 ILC2s 是否存在功能失调,他们进行了移植实验。在 IL-33 介导的体内扩增后,研究人员将成年小鼠的 ILC2s 从 VAT 中分离出来并移植到老年小鼠中。结果表明接受成年 ILC2s 的老年小鼠在寒冷挑战中受到了保护


尽管幸存的小鼠在维持其核心体温方面仍表现出一些与年龄相关的损伤,但重要的是,移植年轻 ILC2s 的老年小鼠足以挽救小鼠对寒冷挑战的易感性,表明衰老的 ILC2s 的确具有内在缺陷



总之,这项研究首先在单细胞水平上解析了衰老小鼠脂肪组织中驻留免疫细胞的异质性,并通过一系列的体内外实验表明了衰老 ILC2s 在数量和功能受损的现象


已有研究报道 ILC2s 在介导葡萄糖稳态和诱导生热方面发挥重要作用,但本研究惊讶地发现,在老年小鼠中,恢复老的 ILC2s 不仅没有改善上述结果,反而破坏了组织稳态,增加了对寒冷的易感性。这些发现进一步强调了脂肪组织驻留免疫细胞在衰老过程中导致组织弹性和稳态丧失的机制中的关键作用。


本文的通讯作者 Vishwa Deep Dixit 说:「免疫细胞的作用不仅仅是病原体防御,而且有助于维持生命的正常代谢功能。」随着年龄的增长,免疫系统已经发生了变化,我们需要小心控制它来恢复老年人的健康。



参考文献:

1. Goldberg et al., IL-33 causes thermogenic failure in aging by expanding dysfunctional adipose ILC2S, Cell Metabolism (2021).

2. Nagai, M.,et al. (2019). Fastingrefeeding impacts immune cell dynamics and mucosal immune responses. Cell 178, 1072–1087.e14.

3. Shaw, A.C.,et.al.(2013). Age-dependent dysregulation of innate immunity. Nat. Rev. Immunol. 13, 875–887.


   
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关键词:
ILC2s,Cell,细胞,免疫,炎症,数据

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