我院赵萌教授团队提出造血干细胞调控新机制

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。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。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。保持蛋白质稳态维持可有效促进造血干细胞体外扩增。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，我院赵萌教授团队在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。

研究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。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，研究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。本项目得到干细胞重点研发和基金委项目的支持。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https://zssom.sysu.edu.cn/zh-hans/article/9394；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https://zssom.sysu.edu.cn/zh-hans/article/9444。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。

原文链接：https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(22)00253-3

（稿件来源：赵萌教授团队，初审：张晓红，审核：周家国，审核发布：张琪）