Cell Stem Cell | 多组学揭示细胞造血干细胞命运决定：非经典视黄酸信号通路

撰文 | 十一月

造血干细胞 （Hematopoietic stem cells， HSCs ） 依赖于复杂的调控网络来保持干性。由于造血干细胞数目稀少，想要对造血干细胞进行代谢组、转录组以及表观遗传组的研究并非易事。

2021年10月26，德国马克斯·普朗克免疫生物学和表观遗传学研究所Nina Cabezas-Wallscheid研究组发文题为 Multilayer omics analysis reveals a non-classical retinoic acid signaling axis that regulates hematopoietic stem cell identity ， 通过对造血干细胞的多组学特征进行研究，从而对造血干细胞以及下游的多能祖细胞之间的代谢景观进行分析，发现造血干细胞依赖于非经典视黄酸信号通路调控细胞命运的决定。

造血干细胞可以产生多能的前体细胞，从而可以逐步分化形成谱系中的不同细胞以及各种效应细胞 【1,2】 。但是在一般机体的稳态过程中，造血干细胞处在高度静息状态并且表现出较低的生物合成活性 【3】 。近年来，一些研究表明代谢产物在细胞命运决定以及调节方面具有非常重要的功能 【4,5】 。因此，作者们想知道造血干细胞以及下游前体细胞中的代谢景观是如何的，以及这些代谢相关的网络对于细胞命运是如何决定和调控的。为了揭开造血干细胞谱系中的代谢景观，作者们对造血干细胞以及下游前体细胞的代谢组、表观遗传学组以及转录组进行分析，建立了能够低细胞输入的情况下使用的RNA-seq、ATAC-seq以及ChIP-seq测序等多组学技术 （图1） 。

图1 多组学联用揭开造血干细胞谱系中的代谢网络景观

通过对得到的基因表达图谱进行分析，作者们发现在造血干细胞中脂肪酸代谢以及视黄酸信号通路相关的基因富集，而在造血前体细胞中TCA循环以及氨基酸代谢相关的基因富集。作者们的结果表明，当造血干细胞向前体细胞转变时，细胞代谢状态在转录水平和代谢水平均发生了明显的变化。进一步地，作者们对造血干细胞谱系的染色质开放状态进行了分析。作者们使用了两种抗体进行的检测，分别是代表染色质开放状态的H3K4me3以及抑制性的组蛋白标记物H3K27me3。作者们发现与视黄酸代谢以及核受体转录相关的基因显著富集H3K4me3的标记物而细胞周期调控以及TCA循环相关的基因上H3K4me3的标记则比较富集；而抑制性的组蛋白标记H3K27me3则会显著富集在前体细胞中的DNA修复以及磷脂代谢相关的通路中。

多组学的研究方式将作者们的目光集中在了视黄酸信号通路上，这是检测到的最富集的代谢枢纽，提示作者们可能可以通过干扰这一途径来调节造血干细胞的功能。膳食中的维生素A即视黄醇是类视黄醇物质的唯一前体代谢物。通过去除小鼠食物中的维生素A （Vitamin A-free， VAF ） 六个月后与对照相比，作者们发现维生素A的缺陷会使得造血干细胞失去静息状态。

那么视黄酸信号通路是如何调控的造血干细胞命运的呢？为此，作者们再次利用多组学的方式对VAF之后的造血干细胞中转录组、表观遗传组以及代谢组进行分析。作者们发现VAF饮食后的小鼠中会缺少造血干细胞的特征转而富集与前体细胞相关的一些组学特征，而且维生素A缺乏会导致造血干细胞与前体细胞中类视黄醇以及4-oxo-RA显著减少。为了进一步对其中的分子机制进行探究，作者们对多组学的结果进行分析，希望找出VAF饮食变化影响的下游靶标基因。作者们发现VAF饮食后，Cyp26b1 （Cytochrome P450 family 26 subfamily B member 1） 基因的表达显著降低。因此，at-RA-Cyp26-4-oxo-RA轴可能是平衡细胞内视黄酸水平的系统。

为了探究Cyp26b1对造血干细胞干性是否重要，作者们在小鼠中对Cyp26b1进行了条件性敲除。作者们发现，造血干细胞中缺乏Cyp26b1后会导致干细胞自我更新能力受到损害。另外，通过对Cyp26b1-/-敲除后造血干细胞的转录组进行分析发现，Cyp26b1-/-敲除后与VAF饮食所造成的转录景观类似。因此，Cyp26b1在维持造血干细胞自我更新和沉默中发挥重要作用。除此之外，作者们还发现4-oxo RA作为Cyp26b1的下游发挥功能并且对于造血干细胞的维持非常关键。

图3 工作模型

总的来说， 该工作建立了能够用于的低输入细胞量的多组学实验方法，可以对造血干细胞以及前体细胞中的转录组、表观遗传组以及代谢组进行分析，从而建立起对于造血干细胞谱系中基因表达特征、染色质状态以及代谢景观的认识。 从这些数据中，作者们发现膳食中的维生素A对于造血干细胞命运维持的关键作用，并鉴定出相关的分子机制。所以，多吃点胡萝卜的确是对身体有好处呢！

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.10.002

制版人：十一

参考文献

1 Ikuta, K. & Weissman, I. L. Evidence that hematopoietic stem cells express mouse c-kit but do not depend on steel factor for their generation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 89, 1502-1506, doi:10.1073/pnas.89.4.1502 (1992).

2 Okada, S. et al. In vivo and in vitro stem cell function of c-kit- and Sca-1-positive murine hematopoietic cells. Blood 80, 3044-3050 (1992).

3 Cabezas-Wallscheid, N. et al. Vitamin A-Retinoic Acid Signaling Regulates Hematopoietic Stem Cell Dormancy. Cell 169, 807-823.e819, doi:10.1016/j.cell.2017.04.018 (2017).

4 Bräutigam, L. et al. MGST1, a GSH transferase/peroxidase essential for development and hematopoietic stem cell differentiation. Redox biology 17, 171-179, doi:10.1016/j.redox.2018.04.013 (2018).

5 Hinge, A. et al. Asymmetrically Segregated Mitochondria Provide Cellular Memory of Hematopoietic Stem Cell Replicative History and Drive HSC Attrition. Cell stem cell 26, 420-430.e426, doi:10.1016/j.stem.2020.01.016 (2020).

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