Cell | 赵佳伟等揭示造血干细胞翻译紊乱导致细胞自发性铁死亡

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关键词：揭示细胞Cell

资讯来源：BioArt

发布时间： 2023-02-17

责编 | 兮

人类造血干细胞稳态是正常造血所必需的，特定基因的功能丧失性突变（loss-of-function mutation）会造成新生儿先天性骨髓衰竭综合征（bone marrow failure syndrome），因此，深入研究这些可以造成新生儿先天性骨髓衰竭综合征的基因及其功能丧失性突变不仅对于先天性骨髓衰竭综合征的治疗有重大意义，更能在细胞及分子水平上更好地理解人类造血干细胞稳态的必要条件及重要尚未发现的重要信号通路。MYSM1是一个组蛋白2A去泛素化酶，目前MYSM1突变体已导致超过十例先天性骨髓衰竭综合征病人。这些突变体绝大多数造成截短蛋白（truncated protein），这些截短蛋白均部分或完全缺失MYSM1具有去泛素化酶活性的催化结构域 【1-7】 。因此，在先天性骨髓衰竭综合征中的MYSM1致病突变体为功能丧失性突变。

2023年2月16日，美国哈佛大学附属波士顿儿童医院/博德研究所的Vijay Sankaran团队的博士后研究员赵佳伟等在Cell上发表了文章 Human Hematopoietic Stem Cell Vulnerability to Ferroptosis ，通过研究MYSM1突变体导致的先天性骨髓衰竭综合征 阐释了MYSM1功能丧失性突变导致先天性骨髓衰竭综合征的发生机理并发现了人类造血干细胞对铁死亡的敏感性。

通过scRNA-seq分析MYSM1缺失的CD34+造血干细胞和祖细胞，作者发现，和之前小鼠中的报道一致，核糖体蛋白的表达在MYSM1缺失的造血干细胞显著性的下降，OP-puro插入实验确认了MYSM1缺失的造血干细胞总体细胞翻译水平显著性下降。与此同时，细胞ROS稳态已经抗氧化基因表达显著性上调，细胞铁代谢基因，具体为铁储存及利用基因显著性上调。由于MYSM1控制的组蛋白标记为H2AK119ub1，而H2AK119ub1是专性基因表达抑制性标记 【8】 ，因此下调基因更多为MYSM1缺失直接导致，而上调基因更多应为MYSM1缺失的二级效应（secondary effect）。由于系统性铁代谢基因的集体上调以及ROS稳态基因的集体上调符合铁死亡的表征 【9-11】 ，作者检测了造血干细胞内的ROS水平以及脂质过氧化水平（lipid peroxidation level）发现ROS以及脂质过氧化水平在MYSM1缺失的细胞内显著性上调。通过脂质组学以及电镜的方法 （图1） ，作者最终确认了MYSM1缺失会特异性的在造血干细胞内导致自发性铁死亡，而不会影响祖细胞。利用铁死亡的抑制剂，作者分别在体外和体内水平上恢复了造血干细胞的数量及分化能力，因此作者最终确定了MYSM1缺失导致先天性骨髓衰竭综合征的原因为自发性铁死亡。

图1 电子显微镜下MYSM1缺失的细胞线粒体形态

为了进一步了解MYSM1缺失导致自发性铁死亡的机制，作者联想到了之前发现的MYSM1缺失导致细胞整体翻译水平下降的发现，发现尽管铁离子稳态基因整体在造血干细胞内呈现转录水平上的上调趋势，这些基因的蛋白质水平在造血干细胞内却是下调的，而在祖细胞内没有明显变化。因此，为了了解细胞翻译在MYSM1缺失导致细胞自发性铁死亡中的作用，作者使用了核糖体分析测序（ribosome profiling sequencing）的方法，发现尽管在scRNA-seq数据中铁代谢基因呈现上升趋势，这些基因在翻译水平上却是显著下降的，因此作者确定了MYSM1缺失导致细胞自发性铁死亡的机制是由于细胞翻译水平的下降导致这些基因翻译被特异性地抑制 （图2） 。

图2 MYSM1缺失导致翻译水平的铁代谢基因调控工作模型

由于上述发现都是在MYSM1缺失的细胞内进行的，作者进一步检测了CD34+造血干细胞与祖细胞对于铁死亡激活剂的敏感度，发现造血祖细胞对于铁死亡激活剂抵抗性很强，即使使用极高的剂量也不能对祖细胞造成伤害，相反，造血干细胞虽然对铁死亡激活剂在低剂量水平有一定的抵抗性，但在加大剂量后展现出了明显的敏感性。因此造血干细胞总体上对铁死亡激活剂具有一定的敏感性。

值得指出的是，铁死亡自从十年前被哥伦比亚大学的Brent Stockwell教授团队发现后，由于某些癌细胞特异性的高敏感度就成为了癌症疗法的热门研究方向，然而本文的发现提示细胞组织内干细胞对铁死亡的激活也具有一定的敏感性，提醒了铁死亡在癌症疗法的应用上需要注意剂量以免成体干细胞被连带杀灭。

美国哈佛大学附属波士顿儿童医院/博德研究所的赵佳伟博士为该论文第一作者，Vijay Sankaran博士为该论文的通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.01.020

制版人：十一

参考文献

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2. Li, N. et al. Further delineation of bone marrow failure syndrome caused by novel compound heterozygous variants of MYSM1. Gene 757, 144938 (2020).

3. Le Guen, T. et al. An in vivo genetic reversion highlights the crucial role of Myb-Like, SWIRM, and MPN domains 1 (MYSM1) in human hematopoiesis and lymphocyte differentiation. J. Allergy Clin. Immunol. 136, 1619–1626.e5 (2015).

4. Zhan, X. et al. A novel compound heterozygous mutation of MYSM1 gene in a patient with bone marrow failure syndrome 4. Br. J. Biomed. Sci. 78, 239–243 (2021).

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10. Stockwell, B. R. et al. Ferroptosis: A Regulated Cell Death Nexus Linking Metabolism, Redox Biology, and Disease. Cell 171, 273–285 (2017).

11. Dixon, S. J. et al. Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death. Cell 149, 1060–1072 (2012).

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