Nature Cell Biology：多组学揭秘分化、衰老、白血病如何重塑造血干细胞代谢
分化、衰老与白血病可改变人类骨髓造血干祖细胞的代谢谱
2025年7月，德国马克斯·普朗克免疫生物学与表观遗传学研究所、瑞士苏黎世联邦理工学院等单位的研究人员在《Nature Cell Biology》（IF：19.1）上发表了题为“Differentiation, ageing and leukaemia alter the metabolic profile of human bone marrow haematopoietic stem and progenitor cells”的研究论文，建立了人类造血干细胞（HSC）在分化、衰老和白血病等背景下的全面代谢谱，确定了可以用来促进和增强人类干细胞功能的代谢变化。
亮点概述：
- 与下游祖细胞相比，造血干祖细胞（HSPC）整体代谢活性低，但必需营养物胆碱的水平升高。
- 随着年龄的增长，HSPCs中胆碱水平下降并伴随着脂质组成的改变。
- 急性髓系白血病（AML）患者分离的HSPCs中胆碱水平普遍降低。
- 补充胆碱促进膜脂质重塑并维持HSPC静息状态和体外自我更新能力。
研究背景：
造血干细胞（HSCs）是存在于骨髓中的特殊细胞群，处于造血系统层级的顶端，具备补充整个血液系统的独特能力。尽管基因模型和组学技术的进步极大扩展了对HSC代谢的理解，但脂质组学研究（尤其是针对人类HSCs的研究）仍然有限。这可能由于分离的HSCs数量稀少、人类骨髓样本的获取有限，以及为这类稀有细胞群体开发可操作的方法和工作流程存在挑战。破译这些代谢信号对于推进基于HSCs的疗法至关重要。
为了探索人类骨髓HSCs的代谢图谱并识别潜在的干细胞调控因子，研究人员对从人类骨髓中分离出的造血干祖细胞（HSPC）与下游祖细胞进行了基于液相色谱-质谱联用（LC-MS）的代谢组学分析。与下游祖细胞相比，HSPCs呈现显著降低的三羧酸（TCA）循环关键代谢物水平。同时，HSPCs内核苷酸、多数氨基酸、酰基肉碱及尿素循环代谢物丰度均明显下降，并伴随氧化还原相关代谢物（如谷胱甘肽二硫化物）的整体减少。研究发现，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）在人类HSPCs中高度富集，而烟酰胺和ADP-核糖在下游祖细胞中更多，反映出HSPCs中NAD补救率降低。胆碱在HSPC中丰度较高，胆碱可以通过产生甜菜碱作为甲基供体，或用于合成关键的细胞膜脂质，如磷脂酰胆碱（PC）和鞘磷脂（SM）。研究人员通过网络建模进行机制假设，预测PLD2（催化PC水解为游离胆碱的酶）和SIRT1（KAT5转录因子的抑制剂）是胆碱积累的潜在调控机制。综上所述，研究人员揭示了年轻人类骨髓HSPCs及其下游祖细胞的独特代谢特征。
人骨髓HSPC及其下游祖细胞的代谢特征
接下来，研究人员通过对骨髓HSCs取样进行痕量脂质组学分析来加深对其代谢特征的理解。在HSPCs和下游组细胞中共检测到120种脂质，主要分为：（1）甘油磷脂（PC和磷脂酰乙醇胺（PE）），以及醚键连接的PC（PC O-）和醚键连接的PE（PE O-））；（2）鞘脂（SM）和（3）甘油三酯（TG）。分析结果显示与其下游祖细胞相比，HSPCs具有不同的代谢和脂质组特征。具体而言，相较于分化程度更高的下游祖细胞，HSPCs表现出更高水平的长链SM，而多不饱和PC和PE含量较低。这表明它们具有独特的膜特性，例如流动性或通透性等。随后，研究人员在小鼠分离的细胞中探究了人类HSC的代谢特征是否在小鼠中保守，结果表明小鼠的HSCs与人类HSPCs具有高度相似的代谢特征，其中包括HSCs中胆碱和某些长链SM的富集。
人骨髓HSPC及其下游祖细胞的脂质组成
为了评估人类HSPCs在衰老过程中的代谢特征。研究人员对从50-90岁老年个体和20-40岁年轻个体中分离的HSPCs进行了代谢组学、脂质组学和转录组学分析。转录组基因集富集分析（GSEA）显示，“活性氧（ROS）代谢过程”、“髓系细胞分化调控”和“脂肪细胞分化调控”等术语在老年HSPCs中显著富集。代谢组学与脂质组学分析显示，肌酐、精氨琥珀酸以及参与尿素循环的酶类在老年HSPCs中含量略有增加，这表明尿素代谢通路可能随衰老而上调。参与线粒体脂肪氧化的肉碱及酰基肉碱在衰老过程中显著减少，这一现象与下调的GSEA分析术语“脂肪酸降解”相吻合。NAD补救途径代谢物ADP-核糖和烟酰胺在老年HSPCs中显著降低，这与提高NAD水平对衰老HSCs有益的结果一致。牛磺酸含量在老年HSPCs中也出现下降，支持了先前提出的牛磺酸缺乏作为系统性衰老驱动因素的观点。人类样本全年龄段相关性分析发现ADP-核糖、牛磺酸、N-乙酰天冬氨酸和肉碱C2等特定代谢物存在年龄依赖性变化，证实这些代谢物水平在HSPCs衰老过程中持续波动。老年HSPCs的胆碱和PC含量也显著降低，相关性分析证实了这一趋势在不同年龄阶段均存在。胆碱水平的下降伴随着脂质组成的改变，老年HSPCs中多不饱和PC含量降低，同时长链SM水平也呈现下降趋势，这与转录组数据中参与鞘脂和鞘氨醇合成的酶在老年HSPCs中表达下调一致。这些发现表明，HSPCs的脂质组成（尤其是胆碱组成脂质）会随着老化而发生改变。
人类HSPC衰老后的代谢和脂质组学特征
急性髓系白血病（AML）是成人中最常见的急性白血病类型，其代谢改变是白血病干细胞和原始细胞的显著特征。为此，研究人员通过痕量代谢组学与转录组学联合分析，将AML患者分离的HSPCs与同龄健康个体的样本进行对比。尽管所分析的AML样本具有多样化的细胞遗传学和分子特征，但结果显示其代谢特征存在显著差异，例如氨基酸丰度与特定基因突变存在关联。同时，14个样本中有13个的胆碱水平普遍降低，这突显了胆碱作为HSC调节因子的潜在作用。
基于观察到人类和小鼠HSC和HSPC的胆碱水平始终高于下游祖细胞，而老年患者和AML患者的HSPC的胆碱水平降低，研究人员通过代谢组学、脂质组学、转录组学及13C-胆碱示踪分析进一步探究了胆碱在调节HSC中的作用。结果表明补充胆碱会影响小鼠和人类HSPCs的脂质组学特征，并维持其静息状态和体外自我更新能力。这些数据强调了胆碱作为人类和小鼠中保守功能的新调控因子，在维持HSC功能中具有重要作用。
补充胆碱可促进脂质组成并保留 HSPC 功能
综上所述，该研究提供了人类骨髓来源的HSPCs在分化、衰老和AML过程中的全面代谢特征。未来，这些代谢特征可为开发针对维持人类HSCs的新治疗策略提供提供重要依据。
