2018年1月5日，中科院生物物理研究所劉光慧實驗室與北京大學湯富酬實驗室、以及中科院動物研究所曲靜實驗室合作，在Cell Discovery雜誌發表了題為「ATF6 safeguards organelle homeostasis and cellular aging in human mesenchymal stem cells」的研究論文。該研究首次繪製了多種人幹細胞和體細胞受內質網應激蛋白ATF6調控的基因表達圖譜，揭示了ATF6維持多種細胞器穩態的新型機制，為衰老和老年性疾病的研究和幹預提供了新的潛在靶點和思路。
蛋白質穩態失衡是導致細胞衰老的重要因素，與個體衰老及老年性疾病的發生密切相關。內質網對細胞內蛋白質穩態的維持起到非常重要的作用。當細胞遭遇各種刺激時，內質網中積累大量未摺疊蛋白，從而誘發未摺疊蛋白反應(Unfolded Protein Response， UPR)。ATF6作為內質網UPR中關鍵的應激蛋白，當受到壓力時被切割為具有轉錄因子活性的蛋白，並從高爾基體膜轉位至細胞核中，激活靶基因的表達；從而參與調控內質網應激反應，維持細胞內蛋白質穩態。然而，由於缺乏有效的研究體系，人們尚不清楚內質網應激蛋白ATF6能否調節人類細胞的穩態和衰老。
在剛發表的這項研究工作中，研究人員結合CRISPR/Cas9基因編輯和幹細胞定向誘導分化等技術首次獲得了ATF6基因敲除的人胚胎幹細胞、間充質幹細胞和脂肪細胞。利用這些細胞模型，研究人員發現人間充質幹細胞對ATF6的缺失最為敏感。ATF6缺失的人間充質幹細胞表現為穩態喪失和加速衰老。細胞器分析結果顯示，ATF6缺失可引起內質網結構和功能的紊亂，具體表現為內質網結構失序、內質網鈣離子庫紊亂以及細胞內蛋白聚集體的增加。此外，ATF6的缺乏還導致與內質網互作的多個膜性細胞器穩態的失衡，包括核膜的皺縮、異染色質的丟失、以及線粒體結構和膜電勢的紊亂。值得一提的是，核膜和線粒體等細胞器的失穩與內質網的功能紊亂偶聯發生，提示ATF6在人幹細胞中協同調控多種膜性細胞器的穩態。
通過轉錄組和表觀基因組分析，研究人員首次系統繪製了人胚胎幹細胞、間充質幹細胞和脂肪細胞這三種人類細胞類型中受ATF6調控的基因表達圖譜，並鑑定出一系列受ATF6調控的組織特異的新型靶基因。這些新型靶基因包括靜息狀態下受ATF6調控的組成型靶基因以及內質網應激條件下受ATF6調控的誘導型靶基因。通過綜合分析這兩類基因在正常和衰老細胞中的表達，並結合一系列功能缺失實驗，研究人員發現ATF6組成型靶基因的表達沉默是人間充質幹細胞衰老的驅動因素。進而發現轉錄因子FOS作為ATF6的靶基因，介導了人間充質幹細胞穩態和衰老的調控。
該項研究不僅繪製了多種人幹細胞和體細胞中受ATF6調控的基因表達網絡，而且還揭示了ATF6具有協同調控多種膜性細胞器穩態的生物學功能。這些新的發現為認識ATF6蛋白的基礎生物學提供了嶄新的視角，對深入理解ATF6在人類衰老和疾病中的作用提供了重要的線索。
該項研究工作由中國科學院、北京大學、清華大學及首都醫科大學宣武醫院等科研機構合作完成。中科院生物物理研究所劉光慧研究員、北京大學湯富酬研究員以及中科院動物研究所曲靜研究員為本文的共同通訊作者。中科院生物物理所副研究員王思及北京大學博士研究生胡博強為本文的並列第一作者。研究工作受到李棟研究組、肖百龍研究組、陳暢研究組以及陳彪研究組的支持；獲得科技部、基金委和中科院戰略先導專項等資助。
Figure 1.內質網應激蛋白ATF6調控人間充質幹細胞中多種細胞器的穩態及衰老
Movie 1. WT人間充質幹細胞的內質網形態
Movie 2. ATF6-/-人間充質幹細胞的內質網結構
(生物谷 Bioon.com)