造血干细胞代谢调控机制的研究进展.docx

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造血干细胞代谢调控机制的研究进展

造血干细胞代谢调控机制的研究进展

张雅文1，程辉1，程涛1,2,3,4*

【摘要】摘要造血干细胞是一类具有自我更新和多向分化为各种血细胞潜能的一类干细胞，是目前研究最为透彻、临床应用最为成熟的成体干细胞。

造血干细胞的功能与其代谢调控密切相关，其代谢状态主要表现为：

居住在骨髓低氧微环境中，依赖糖酵解进行能量代谢，保持低活性氧水平；Hif-1、FoxO3、ATM、PTPMT1等蛋白维持造血干细胞处于低氧状态，并使其免受活性氧损伤；此外，糖代谢相关酶、谷氨酰胺、脂肪酸氧化、嘌呤、氨基酸代谢等也在造血干细胞代谢调控中起到了重要作用。

本文就造血干细胞代谢调控机制的研究进展进行综述，重点叙述氧化代谢调控、糖代谢水平、嘌呤代谢和氨基代谢的相关机制。

【期刊名称】中国实验血液学杂志

【年（卷）,期】2018（026）003

【总页数】5

【关键词】关键词造血干细胞；代谢调控机制；低氧微环境

·综述·

造血干细胞（hematopoieticstemcells，HSC）是一类具有自我更新和多向分化成为各种血细胞潜能的成体干细胞，是造血系统中最为原始的细胞类型，是血液系统所有红细胞、血小板和免疫细胞（包括粒细胞、单核细胞和淋巴细胞）的来源，维系机体终身产生成熟血细胞的能力[1]。

在众多类型的成体干细胞中，造血干细胞是研究历史最悠久、认识最为深入、也是最早应用于临床而且被公认有临床治疗效果的一类干细胞。

HSC移植不仅可以治疗造血恶性疾病，还可应用于自身免疫性疾病，代谢病等多种疾病的治疗，在再生医学领域有着重要地位。

造血干细胞主要存在于骨髓微环境（Niche）中，因此HSC的功能受内外多种因素调控。

内源性调控主要包括转录因子调控和表观遗传因子调控，而外源性调控受到微环境中各种细胞、细胞外基质、细胞因子等多种因素的精密调控[2]。

与其他细胞一样，HSC的功能与其代谢水平息息相关。

细胞的能量需求、能量代谢方式及微环境氧含量的多少，都处于不断变化的平衡之中，任何一个环节的改变都易打破平衡，影响HSC的功能和状态[3]。

因此，研究HSC代谢调控对于深入了解其自我更新、多向分化潜能以及HSC命运改变具有及其重要的意义。

本文就近期有关HSC代谢调控机制方面的研究进展展开综述和展望。

重点叙述氧化代谢调控、糖代谢水平、嘌呤代谢和氨基酸代谢的相关机制。

氧化代谢调控

HSC生活在低氧的骨髓niche中以保持静止状态，低氧环境也造就了其拥有低活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS）水平。

低ROS产生对于HSC维持自我更新能力和基因组稳定性起到重要作用。

伴随着HSC分化等状态的改变，ROS水平也发生变化。

在HSC氧化代谢中，Hif-1、FoxO3、ATM、PTPMT1和其他调控分子维持其低氧状态，免于ROS损伤，具有重要的临床应用前景。

另外，NO的代谢水平也与HSC的功能密切相关。

活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS）

ROS代表一群短暂的、由氧衍生的分子，主要由超氧化物阴离子、过氧化氢和羟基自由基等组成[4]。

在老化或应激以及多种外生信号都能诱导ROS产生，导致增殖、分化、衰老、凋亡、自噬等细胞生理状态的改变。

ROS在HSC中的水平是动态变化的，长周期造血干细胞（long-termhematopoieticstemcells，LT-HSC）中ROS较低，而拥有相对活跃周期的短周期造血干细胞（short-termhematopoieticstemcell，ST-HSC）中ROS较高[4]。

干细胞ROS水平过高，易发生干细胞耗竭，宿主免疫力不足和在慢性炎症期间的白血病转化。

然而，干细胞持续低ROS水平将导致干细胞功能缺乏和机会性感染。

因此，无论是在正常或应激状态下，平衡的ROS水平对于维持造血干细胞池和宿主免疫都是至关重要的[5]。

ROS在HSC生物特性的控制中起到了重要作用[6]。

处于低ROS水平的HSC呈现静止状态，并表现高自我更新潜能，高ROS水平则倾向于HSC分化[7]。

且升高的ROS导致CD34+造血前体细胞的DNA损伤，降低集落形成和增殖能力[8]。

Kwak等[9]研究表明，骨髓中炎症诱导的ROS产生在紧急造血的骨髓造血祖细胞（HPC）扩增中起关键作用。

同时，损失条件下（如全身照射）ROS增加对于HSC有负性调控作用，即"旁效应"[10]。

近期研究表明，一旦受到动员剂影响，处于骨髓中HSC的ROS水平便明显升高，其功能受到影响[11]。

从低氧的环境中取出的小鼠骨髓HSC，比常氧环境下取出的HSC具有更强的自我更新和植入能力[12]。

因此，目前的证据都证明，HSC的功能维持需保持其低ROS水平。

氧化代谢调控因子

低氧诱导因子1（Hif-1）转录因子低氧诱导因子1（Hif-1）在HSC低氧环境调控中HSC起到了重要作用，由Hif-1介导的细胞信号通路维持了HSC的静止、生存和代谢表型。

并且，维持Hif-1α在适度水平十分重要，Hif-1α过表达会导致HSC不稳定及提前耗竭，Hif-1α敲除小鼠在连续移植时通过丢失骨髓重建能力，并表现出对5-氟尿嘧啶（5-FU）或衰老等应激耐受性的降低[13]。

近期研究表明，从最早的胚胎阶段开始，Hif-1α即为HSC生成和功能的调节剂[14]。

Hif-1α介导的上下游通路研究近期也有进展。

研究斑马鱼胚胎造血发现，Hif-1α下游的血小板生长因子PBFGB/PDGFRβ和炎症因子IL-6/IL-6R通路调控了造血干祖细胞（HSPC）的生成[15]。

以上研究揭示了Hif-1α在HSC低氧环境调控中起到重要作用，其介导的低氧调控机制组成了复杂、精准的调控网络，影响HSC命运。

然而对于Hif-1α上下游的调控机制的了解仍不够全面，有待进一步研究。

FoxO家族转录因子叉头框O（FoxO）家族在保护HSC免于ROS损伤中起到了重要作用，FoxO激活参与ROS解毒的抗氧化酶（超氧化物歧化酶和过氧化氢酶）和DNA损伤修复酶。

FoxO3敲除的小鼠体内ROS水平增高，HSC在竞争性移植中支持造血功能的长期重建的能力也受损[16]。

有研究表明，Fancd2蛋白在HSC中FoxO3a胞质定位中发挥作用，避免ROS损伤导致的HSC耗竭[17]。

同时，MiRNA212/132调节FoxO3表达，过表达和缺失该miRNA均能导致造血缺陷[18]。

ATM蛋白ATM蛋白是避免氧化损伤和正常DNA修复所需的蛋白激酶。

BID为ATM效应分子，通过平衡线粒体产生ROS水平调控HSC静止状态[19]。

MTCH2为ATM和BID下游分子，MTCH2敲除促使线粒体氧化磷酸化，使HSPC进入细胞周期导致干细胞耗竭[20]。

Ptpmt1蛋白线粒体是产生ROS的重要位点，其在HSC中相对不活跃，而祖细胞中相对活跃。

相一致的是ROS在祖细胞中也相对升高，表明HSC向下分化时，线粒体代谢为其提供了能量。

线粒体代谢调控也有一定研究，线粒体Ptpmt1是一种线粒体呼吸所需的PTEN样线粒体磷酸酶，研究表明条件性敲除该基因能启动分化相关分裂，阻止HSC分化，导致快速造血失败[21]。

因此，Ptpmt1缺失的HSC和祖细胞通过增加其厌氧糖酵解的水平来响应线粒体呼吸减少。

Ptpmt1抑制剂己联双辛胍二盐酸盐，通过重编程细胞能量代谢，体外维持LT-HSC[22]。

其他调控因子锰超氧化物歧化酶（MnSOD）和过氧化氢酶是直接代谢ROS的酶，对于HSC有保护作用[23]。

过氧化氢酶过表达对移植的HSC的长期植入具有显著有益效果，并且在移植小鼠中低剂量γ-照射的损伤后该作用进一步增强。

相比之下，MnSOD过表达对移植的HSC的长期植入无明显作用，但是在亚致死照射损伤后具有显著有益效果。

另外，抗氧化剂N-乙酰基-1-半胱氨酸（NAC）处理能够降低NOD/SCID小鼠的BM中的ROS水平，提高人HSC的植入率[24]。

低氧骨髓微环境与HSC分布

HSC生活在低氧的骨髓微环境中。

Spencer等[27]利用双光子磷光寿命显微镜观察小鼠骨髓内绝对氧分压（PO2）<32mmHg，其窦周区域（静脉区域）的pO2更低（约9.9mmHg），但是骨内膜区域由于许多小动脉的灌注，氧分压增高。

经过辐射和化疗后的小鼠，pO2水平会动态变化，说明压力状态可以改变HSC的代谢微环境。

但有趣的是，虽然动脉周围的氧分压比静脉周围高，但动脉内皮细胞本身的ROS水平却低于静脉内皮细胞，动脉周围的高ROS细胞数量显著少于静脉周围。

动脉周围的HSC都表现为ROS低水平，而静脉周围的HSC约1/3数量表现为ROS高水平[11]。

但是，也有研究报道处于低氧水平的HSC随机分布于骨髓，并不是特定于某类细胞周围[28]。

一氧化氮

一氧化氮（NO）也是调节代谢的重要信号小分子，其对于内皮前体细胞向胚胎HSC转化十分重要[25]。

近期研究发现，促凝血酶注射导致蛋白酶激活受体1（PAR1）和活化蛋白C-内皮细胞蛋白C受体（EPCR）通过控制NO的生成从而平衡骨髓LT-HSC的维持和募集，保护骨髓造血和其免于毒性损伤，具有干细胞移植的临床应用价值[26]。

糖代谢和三羧酸循环相关通路

骨髓中HSC能量代谢主要依赖于糖酵解，而非氧化磷酸化[3]。

糖酵解维持的低代谢水平对于维持HSC生存和功能最为有利。

这其中糖代谢相关酶对于HSC细胞周期静止、分化等调控起到重要作用。

三羧酸循环是真核生物体内普遍存在的有氧代谢形式，是糖、脂肪、氨基酸三大营养物质的最终代谢途径，并产生细胞所需能量ATP。

谷氨酰胺、脂肪酸代谢都通过三羧酸循环和糖代谢通路紧密联系，对于HSC自我更新和多向分化能力的调控起到重要作用。

糖代谢相关酶

HSC在骨髓niche中能量代谢主要依赖糖酵解[3]。

Takubo等[29]发现HSC中丙酮酸脱氢酶激酶（Pdk）表达增加修复HSC中糖酵解，维持细胞周期静止和HSC干性，而Pdk2和Pdk4的缺失损伤HSC静止，糖酵解和移植能力，用Pdk类似物治疗可以逆转。

因此，由Pdk介导的线粒体代谢的拮抗作用构成建立代谢状态所需的检验点，促进HSC细胞周期静止和功能。

研究表明，相比于Pdk2，Pdk3和Pdk4，Pdk1是体外缺氧调节的最强的靶点，但是体内研究并未发现Pdk1和Hif-1α之间的关联[30]。

Cited2基因在HSC代谢调节中起关键作用，Cited2的缺失导致糖酵解减弱和线粒体活动增加[31]。

当HSC进行细胞分化时，所需能量增加，代谢方式由糖酵解转变为氧化磷酸化。

Wang等[32]对HSC和HPC的代谢分布差异进行了研究：

丙酮酸激酶同工酶M2（PKM2）缺失提高有氧糖酵解（AG），减少大分子合成的必须中间产物，损害HPCs功能，但对HSC的功能不产生影响。

相反，乳酸脱氢酶A（LDHA）缺失同时抑制HSC和HPC的功能。

AG对于正常造血细胞的影响取决于细胞状态，即对HSC无影响，对HPC有影响，但是AG在任何细胞状态下都负向调控白血病生长。

因此，正常和恶性细胞对AG调节的敏感性差异可能为成为白血病治疗的新方向。

谷氨酰胺

谷氨酰胺是体内三羧酸循环的前体物质。

人和小鼠的HSC向红系分化时依赖于谷氨酰胺代谢。

HSC红系生成需要ASCT2谷氨酰胺运输蛋白和活性谷氨酰胺，在体内阻断由EPO刺激的HSC向髓单核细胞分化通路会导致溶血性贫血等应激反应。

在代谢应激条件下，谷氨酰胺和葡萄糖作为核苷酸生物合成的燃料调节HSC谱系分化。

[33]。

脂肪酸氧化

脂肪酸代谢亦与三羧酸循环联系紧密。

Ito等[34]证实PML（早幼粒细胞白血病抑癌基因）-过氧化物酶体增殖物激活受体δ（PPARδ）-脂肪酸氧化（FAO）途径用于HSC维持，控制HSC的不对称分裂。

PPAR-δ丢失或线粒体FAO的抑制会诱导HSC静止状态的丢失，给予PPARδ激动剂处理可以改善HSC的功能。

ppard或pml缺失以及FAO的抑制均能导致HSC子代细胞对称分布，而PPARδ活化能够增加细胞不对称分裂。

嘌呤和氨基酸代谢

相对于氧化代谢和糖代谢，嘌呤和氨基酸代谢在HSC中的研究较少，几乎处于空白。

Karigane等[35]首次在应激状态下研究HPSCs的代谢调控机制，证实p38α/Mitf/嘌呤代谢轴起到重要作用。

p38α为p38MARK家族中的成员，在应激状态下（如骨髓移植），p38α被磷酸化激活，促进嘌呤代谢，促使静止期的HPSC进入细胞周期并且维持造血再生能力。

另外，研究表明在应激及衰老损伤条件下体外扩增HSPC时，抑制p38MAPK活动可以促进正常细胞周期的进展，抑制异常HPSC增殖，避免HPSC耗竭[36,37]。

这其中p38α/Mitf/嘌呤代谢轴也可能起到一定作用。

最新的一项重要研究表明，支链氨基酸缬氨酸（Val）在骨髓HSC增殖和维持中起关键作用。

当在缺乏缬氨酸的条件下培养时，小鼠和人HSC都不能增殖。

膳食缬氨酸限制促进小鼠骨髓niche的排空，并为供者HSC提供无需化学和辐射的骨髓抑制状态。

这种特异性氨基酸现象的原因目前仍不清楚，可能是由于氨基酸平衡被打破引起的。

这一神奇的发现意味着膳食缬氨酸限制可能适用于造血干细胞移植中的预处理和血液恶性肿瘤的治疗[38]。

结语

HSC代谢调控是关于HSC近几年新兴研究热点之一。

HSC处于低氧的niche之中，维持低ROS水平，且主要依赖糖酵解供能。

HSC中有精准、复杂的调控机制维持这一稳态，任何一个环节平衡被打破，都会导致HSC命运的改变。

对于HSC代谢的研究，仍有很多未知之谜，关于HSC是否还有其他明显的代谢特征，HSC向HPC转化具体过程等仍不是十分清楚。

因此，充分研究HSC代谢调控对于深入了解HSC的自我更新和多向分化机制、恶性转化机理、体外扩增和提高移植成功率都有重要意义。

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