KDM6A/MMP-3表观遗传轴调控脊髓损伤后巨噬细胞衰老介导再生微环境促进神经修复

《Journal of Advanced Research》：KDM6A/MMP-3 epigenetic axis governs macrophage senescence after spinal cord injury for mediating the regenerative niche to promote neurological repair

本研究针对脊髓损伤(SCI)后巨噬细胞衰老机制不清、缺乏有效治疗策略的问题，通过构建条件性基因敲除小鼠模型，结合RNA-seq和ChIP-seq等技术，首次揭示了UTX(KDM6A)通过H3K27me3去甲基化调控MMP-3转录的表观遗传新机制。研究发现巨噬细胞特异性敲除UTX可减轻细胞衰老、改善血管再生微环境，显著促进神经功能恢复，为SCI治疗提供了新的表观遗传治疗靶点。

　　

脊髓损伤是导致终生残疾的主要病因之一，目前仍缺乏有效的治疗方法。在脊髓损伤的复杂病理过程中，巨噬细胞作为重要的免疫细胞，其功能状态对损伤修复起着关键作用。然而，巨噬细胞在脊髓损伤后是否会发生细胞衰老？其衰老的调控机制如何？衰老的巨噬细胞又如何影响周围的再生微环境？这些问题至今尚未明确。

为了解决这些科学问题，中南大学湘雅医院脊柱外科和骨科的研究团队在《Journal of Advanced Research》上发表了一项创新性研究。研究人员通过构建脊髓挫伤模型，首次发现损伤后脊髓组织中存在大量衰老巨噬细胞，这些细胞表现出典型的衰老特征：p21^CIP1表达升高、SA-β-gal活性增加以及多种衰老相关分泌表型(SASP)因子的上调。尤为重要的是，这些衰老巨噬细胞成为损伤区域最主要的衰老细胞类型，在损伤后第7天达到高峰。

为了探究巨噬细胞衰老的调控机制，研究人员通过表观遗传染色质修饰酶PCR阵列筛选发现，组蛋白去甲基化酶UTX（又称KDM6A）在衰老巨噬细胞中表达显著上调。UTX是一种能够特异性去除组蛋白H3第27位赖氨酸二/三甲基化(H3K27me2/3)的表观遗传修饰酶。在脊髓损伤后的缺血缺氧微环境中，巨噬细胞通过上调UTX表达，进而启动细胞衰老程序。

研究人员构建了巨噬细胞特异性UTX条件性敲除小鼠(LysM-Cre; UTX^flox/flox)，发现敲除UTX不仅能显著减轻巨噬细胞衰老，还能促进血管新生、改善神经功能恢复。行为学评估显示，UTX敲除小鼠在BMS评分、运动诱发电位振幅和步态分析等方面均表现出明显改善。组织学分析进一步证实，UTX敲除减少了损伤区域面积，改善了膀胱功能。

在机制探索方面，研究团队通过RNA-seq和ChIP-seq分析发现，UTX通过其H3K27me3去甲基化酶活性，直接结合到基质金属蛋白酶3(MMP-3)基因启动子区域，去除该区域的H3K27me3抑制性标记，从而促进MMP-3的转录和表达。MMP-3作为SASP的关键组分，由衰老巨噬细胞分泌后，能够诱导血管内皮细胞衰老，破坏局部再生微环境。

进一步的功能实验表明，在巨噬细胞中过表达MMP-3能够逆转UTX敲除带来的保护效应，再次损害血管新生和神经功能恢复。相反，敲低MMP-3表达则能模拟UTX敲除的有益效果。这些结果证实了UTX/MMP-3轴在调控巨噬细胞衰老和血管再生中的核心作用。

该研究主要采用了以下关键技术方法：脊髓挫伤动物模型构建、条件性基因敲除技术、流式细胞术分选、RNA-seq转录组分析、ChIP-seq表观遗传学分析、细胞共培养体系以及一系列分子生物学和细胞生物学实验方法。

研究结果部分的主要发现包括：

创伤诱导的巨噬细胞表现出细胞衰老特征，成为损伤脊髓中最主要的衰老细胞。研究人员通过SA-β-gal染色、免疫荧光和流式细胞术证实，脊髓损伤后巨噬细胞呈现典型的衰老表型，且在损伤后第7天达到高峰。衰老巨噬细胞占总衰老细胞的70%以上，显著高于其他细胞类型。

UTX在脊髓损伤缺氧微环境的衰老巨噬细胞中表现出独特特征。研究发现缺氧微环境是诱导UTX上调的关键因素，UTX表达与巨噬细胞衰老程度呈正相关，在体外OGD模型中同样观察到UTX的上调。

巨噬细胞特异性UTX缺陷通过减少巨噬细胞衰老和增强血管再生促进神经功能恢复。条件性敲除UTX显著改善了运动功能、电生理表现和组织修复，同时减轻了巨噬细胞衰老负担，促进了血管新生。

衰老巨噬细胞在体内外对血管生成产生不利影响。研究发现衰老巨噬细胞比例与CD31阳性内皮细胞数量呈负相关，使用衰老细胞清除剂Dasatinib和Quercetin处理可减轻巨噬细胞衰老，促进血管再生。

UTX特异性缺失减少衰老巨噬细胞释放SASP促进血管生成。RNA-seq分析显示UTX敲除后多个SASP因子表达下调，特别是MMP-3、IL-1β和Cxcl3等因子显著降低。

UTX通过H3K27me3去甲基化表观遗传调控巨噬细胞释放MMP-3。ChIP-seq证实UTX缺失导致MMP-3基因启动子区域H3K27me3占据增加，直接抑制了MMP-3的转录表达。

MMP-3过表达减弱UTX缺失在巨噬细胞中对血管生成和功能恢复的保护作用。功能回复实验表明，MMP-3过表达可逆转UTX敲除的有益效应，再次损害血管新生和神经功能恢复。

MMP-3传播内皮细胞衰老。RNA-seq分析显示MMP-3处理可激活内皮细胞衰老相关通路，促进p16、p21和p53等衰老标志物表达，诱导内皮细胞衰老。

研究结论与讨论部分强调，该研究首次系统阐明了脊髓损伤后巨噬细胞衰老的特征及其表观遗传调控机制，发现了UTX/MMP-3这一新的表观遗传轴在调控巨噬细胞衰老和血管再生中的关键作用。这不仅深化了对脊髓损伤病理机制的理解，也为开发针对表观遗传靶点的治疗策略提供了理论依据。特别值得注意的是，该研究揭示了免疫细胞衰老与血管再生之间的新型交互作用，为神经修复研究提供了新的视角。靶向UTX/MMP-3轴可能成为促进脊髓损伤后神经功能恢复的潜在治疗策略，具有重要的临床转化价值。