专家点评Cell Stem Cell | 赵萌团队报道造血干细胞调控新机制

点评 | 余佳（北京协和医学院）、李振睿（美国St.Jude儿童医院）/李凌衡（美国Stowers研究所）

责编 | 兮

造血干细胞是体内造血系统维持的关键，且造血干细胞移植在血液系统疾病治疗中广泛应用，然而目前尚无法实现造血干细胞的大规模扩增。其重要原因是造血干细胞在活化状态下需要进行细胞周期、能量代谢、蛋白质合成等一系列的改变，而能量代谢和蛋白稳态的失衡则会导致造血干细胞长期造血能力的丢失。

造血干细胞的长期造血能力维持需要保持其不进入细胞周期的静息态，进入细胞周期后活化的造血干细胞长期造血能力丢失【1】。静息态造血干细胞维持低葡萄糖摄取和以糖酵解为主的低能量代谢状态，这是造血干细胞长期功能维持的关键。进入活化状态后的造血干细胞，由于葡萄糖摄取和能量代谢的增加导致细胞活性氧的积累进而损伤其长期造血能力【2】。静息态造血干细胞还维持了较低的蛋白质合成水平，造血干细胞进入活化态后蛋白质合成的增加会导蛋白质稳态失衡和异常折叠蛋白的累积，进而诱发蛋白质稳态失衡相关的细胞死亡【3-6】。保持蛋白质稳态维持可有效促进造血干细胞体外扩增【7】。因此，解析造血干细胞在静息态和活化态之间相互转化过程中能量代谢和蛋白质合成调控的分子机制，是实现造血干细胞在活化增殖过程中依然维持干性的关键。

2022年7月7日，中山大学赵萌教授团队在Cell Stem Cell杂志上发表文章Amino acid catabolism regulates hematopoietic stem cell proteostasis via a GCN2-eIF2a axis。研究团队解析了造血干细胞中能量代谢和蛋白质稳态调控之间的相互关系，并发现了一种调控蛋白质稳态促进造血干细胞长期干性维持的代谢干预策略。

研究者发现，相对于分化的血液细胞和造血祖细胞，造血干细胞内的氨基酸含量较低，这个是其维持低蛋白质翻译水平的主要原因。研究者进一步通过稳定同位素标记的代谢流实验，发现造血干细胞的氨基酸摄取能力反而较强，但可通过氨基酸分解代谢将氨基酸代谢为三羧酸循环的中间产物进而产生能量的方式降低细胞内的氨基酸水平。并且由于造血干细胞的葡萄糖摄取能力很低，因此氨基酸代谢维持了造血干细胞的低氧化磷酸化的能量状态。

研究者进一步发现，造血干细胞在活化增殖状态下细胞摄取氨基酸的能力加强，细胞内的氨基酸含量迅速积累。这是由于造血干细胞在活化时，骨髓微环境和体外培养基中有大量的氨基酸供给，同时造血干细胞的氨基酸转运蛋白上调导致。然而，活化后的造血干细胞氨基酸分解代谢能力反而大幅下降，导致细胞内氨基酸积累，进而细胞内氨基酸被大量用于蛋白质翻译，加快了活化状态下造血干细胞的蛋白质合成速度。同时，活化状态下的造血干细胞放弃了低效的氨基酸能量代谢方式，转而通过增加葡萄糖摄取和线粒体氧化磷酸化的代谢方式产生大量ATP，促进细胞增殖。因此，造血干细胞通过调控氨基酸代谢的方式，满足了活化状态下对能量供给和蛋白质合成的需要。然而，葡萄糖的氧化磷酸化会产生过氧化物，过度的蛋白质翻译会导致异常折叠蛋白堆积和蛋白质稳态失衡进而导致的细胞死亡，这使得活化状态下造血干细胞的长期造血功能无法维持。研究者进一步证实，控制造血干细胞蛋白质翻译的关键分子是GCN2-eIF2α通路。GCN2识别未结合氨基酸的tRNA，通过磷酸化eIF2α抑制蛋白质翻译的方式维持造血干细胞的蛋白质稳态。缺失GCN2的造血干细胞，在活化时蛋白质翻译显著加速，蛋白质稳态失衡，长期造血能力受损。

作者进一步解析了造血干细胞中能量代谢和蛋白质稳态维持之间的分子联系，发现高能量代谢状态下的造血干细胞更容易发生蛋白质稳态失衡。通过代谢物筛选的方式，研究者发现NAD⁺前体烟酰胺核糖（Nicotinamide Ribose，NR）可通过增强氨基酸分解代谢的方式，增强造血干细胞在活化态下的蛋白质稳态维持能力。因此长期的NR处理可有效促进造血干细胞的体外扩增和在体内活化状态下的长期造血功能维持。研究者还发现短期的NR处理无法调控氨基酸代谢，只能通过调控线粒体活性的方式提升造血祖细胞的短期造血能力【7】。作者进一步利用GCN2敲除小鼠证实，长期NR处理是通过激活GCN2调控蛋白质稳态的方式促进了造血干细胞在活化状态下长期造血能力的维持。

研究者发现，GCN2还可以调控造血干细胞的能量代谢。作者利用非靶向代谢组学研究发现，GCN2敲除的造血干细胞氧化磷酸化能力代谢显著加强，机制解析发现GCN2的缺失会导致Scr-AKT信号通路的活化，进而导致细胞线粒体能量代谢过度增强，损伤造血干细胞的长期造血能力。

综上，作者首次在造血干细胞中揭示了能量代谢和蛋白质稳态维持之间关联和分子机制，并发现代谢物烟酰胺核糖可以调控氨基酸分解代谢促进造血干细胞的蛋白质稳态维持保护长期造血能力，对于促进造血干细胞的体外扩增和增强移植后造血干细胞的造血重建能力有重要临床意义。

在这个卡通图中代表静息态造血干细胞的蓝色汽车，其线粒体发动机代谢氨基酸燃料供能，低能耗和蛋白质稳态维持了造血干细胞的长期干性。而代表活化态造血干细胞的红色汽车大量使用葡萄糖作为高效能源，并且提高氨基酸的蛋白质合成效率产生了肌肉男驾驶员。然而过度的能量代谢和蛋白质稳态失衡都是威胁造血干细胞长期干性的危险因素。

中山大学的赵萌教授为本文的通讯作者。李昌正博士、吴炳火博士和李奕珊博士研究生为本文的共同第一作者。本项目感谢第三军医大学蔡雄伟教授和中山大学代谢平台张晖研究员的技术支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2022.06.004

赵萌教授在中山大学教育部干细胞与组织工程重点实验室，研究工作集中在骨髓微环境调控造血干细胞和白血病干细胞的作用和机制以及干预治疗策略开发。氨基酸代谢对造血骨髓微环境具有重要的调控作用，赵萌教授团队近期还发现增加骨髓微环境中的苯丙氨酸含量可抑制髓系来源的免疫抑制细胞（MDSC）恢复骨髓微环境的免疫监视作用（详见BioArt报道：赵萌/吴钧/蒋林加合作开发苯丙氨酸药物调控白血病肿瘤免疫微环境）；增加骨髓中的亮氨酸含量可通过抑制自噬清除耐药的白血病干细胞（详见BioArt报道：赵萌/蒋琳加/吴钧联合报道亮氨酸抑制自噬清除耐药白血病干细胞）。赵萌教授团队会继续深入研究氨基酸代谢对造血干细胞和白血病干细胞的作用机制，开发针对骨髓氨基酸代谢的靶向药物，欢迎对此研究方向感兴趣的副教授、博士后，博士生和硕士生加入。

专家点评

余佳教授 （北京协和医学院）

长期以来，基因转录调控被认为是细胞命运调控的重要因素，通过人为操纵转录因子表达即可实现细胞命运重编程。但近期研究发现mRNA翻译调控亦在干细胞命运、胚胎发育、肿瘤等重大疾病进程中发挥重要决定作用。蛋白质合成速率及核糖体状态与干细胞命运息息相关，早在2014年，就有科学家发现造血干细胞中蛋白质合成速率受到精密调控，造血干细胞需要维持较低的蛋白质合成速率，以保证蛋白质正确折叠，维持蛋白质稳态。蛋白合成速率增加会导致异常折叠蛋白积累，从而破坏造血干细胞的长期造血能力。体外扩增的造血干细胞往往不能维持低的蛋白质合成速率，导致长期造血功能受损。但造血干细胞通过何种机制维持较低的蛋白质合成速率，却一直是未解之谜。

近日，中山大学赵萌团队报道发现了造血干细胞维持低蛋白质合成速率的关键调控机制，发现造血干细胞通过特殊的氨基酸代谢方式维持了造血干细胞内较低的氨基酸水平，同时通过GCN2-eIF2α通路抑制mRNA翻译, 双管齐下，实现了造血干细胞内低的蛋白合成速率及蛋白质稳态维持。该工作同时揭示了造血干细胞中蛋白质合成与细胞能量代谢之间的联系，在造血干细胞中证实这种代谢和翻译的联系调控了造血干细胞在体内稳态维持的“静止”、再生修复和体外扩增过程中“活化”的动态转化。作者通过代谢组学、小鼠体内功能实验和生化实验等一系列手段揭示了造血干细胞通过氨基酸分解代谢控制细胞能量产生以及蛋白质合成速率的分子机制，证实了造血干细胞增殖过程中加速的蛋白质合成所导致的蛋白质稳态失衡，是造血干细胞长期干性丢失的主要原因。并发现造血干细胞通过氨基酸到葡萄糖代谢的转化实现了细胞增殖过程中对能量和蛋白质合成的需求。在此基础上，作者还创新性的发现了通过促进氨基酸分解代谢，保护蛋白质稳态，可有效维持造血干细胞在增殖过程保持长期干性的代谢干预策略，为造血干细胞体外扩增提供了崭新思路和有效策略。

细胞代谢对表观遗传具有重要调控作用，本工作率先在造血干细胞中揭示了细胞代谢对mRNA翻译即蛋白质合成的重要影响，并发现通过干预蛋白质合成速率可促进体外扩增造血干细胞的干性维持，具有重要的理论意义和潜在的临床应用价值。

专家点评

李振睿 （美国St.Jude儿童医院）、 李凌衡 （美国Stowers研究所）

造血干细胞 (HSC) 在体内保持静止态以保持其自我更新和多向分化能力。低代谢状态和受限翻译是静止态 HSC 的两个标志。于此相对应的是激活态 HSC：快速增殖并进一步分化以满足我们体内造血需求。这个过程伴随着不同的两个标志，高能量需求和加速的蛋白质合成。鉴于生物体生命周期内造血的动态性和可持续性，造血干细胞需要在静止和激活之间取得平衡，协调能量代谢和蛋白质合成，以满足体内平衡和增殖过程中的不同需求。然而，这种平衡行为背后的机制仍然不为所知。在本文中，赵萌团队确定了稳态和激活态 HSC、祖细胞和分化细胞中的氨基酸 (AAs) 代谢通量。他们发现，静止的 HSCs 具有高效的分解代谢氨基酸能力以降低细胞蛋白质合成，但这同时导致 GCN2-eIF2a 通路的激活，GCN2-eIF2a是一通用的蛋白质合成抑制检查点。与此成对照的是激活态 HSCs 减少了氨基酸分解代谢以积累游离 AAs，从而增加对蛋白质合成的需求，并伴随GCN2-eIF2a 通路的失活以及与蛋白毒性应激相结合。他们通过遗传模型进一步测试了 GCN2 在维持 HSC 蛋白质稳态和再增殖能力中的作用。从分子机制上讲，GCN2 可调节 Src-AKT 复合物，即 GCN2 在激活态HSC 中的消耗可促进 Src 介导的对于 AKT 的激活。此外，赵萌团队首次揭示了烟酰胺核苷 (NR)，一种已知的可恢复多种组织中干细胞功能的维生素 B3，可加速氨基酸分解代谢以激活 GCN2，从而维持 HSC 的长期功能。

该文在揭示 HSC 在静止和激活之间取得平衡的检查点相关方向的大量工作和新发现令人印象深刻，并在技术严谨性方面提高了 HSC 领域的研究标准。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2022.06.004

制版人：十一

参考文献

1. Cheng, T., et al. Hematopoietic stem cell quiescence maintained by p21cip1/waf1. Science 287, 1804-1808 (2000).

2. Nakamura-Ishizu, A., Ito, K. & Suda, T. Hematopoietic Stem Cell Metabolism during Development and Aging. Dev Cell 54, 239-255 (2020).

3. van Galen, P., et al. The unfolded protein response governs integrity of the haematopoietic stem-cell pool during stress. Nature 510, 268-272 (2014).

4. Signer, R.A., Magee, J.A., Salic, A. & Morrison, S.J. Haematopoietic stem cells require a highly regulated protein synthesis rate. Nature 509, 49-54 (2014).

5. Hidalgo San Jose, L., et al. Modest Declines in Proteome Quality Impair Hematopoietic Stem Cell Self-Renewal. Cell Rep 30, 69-80 e66 (2020).

6. Mohrin, M., et al. Stem cell aging. A mitochondrial UPR-mediated metabolic checkpoint regulates hematopoietic stem cell aging. Science 347, 1374-1377 (2015).

7. Kruta, M., et al. Hsf1 promotes hematopoietic stem cell fitness and proteostasis in response to ex vivo culture stress and aging. Cell Stem Cell 28, 1950-1965.e1956 (2021).

8. Vannini, N., et al. The NAD-Booster Nicotinamide Riboside Potently Stimulates Hematopoiesis through Increased Mitochondrial Clearance. Cell Stem Cell 24, 405-418 e407 (2019).

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。