天冬氨酸，拨动造血干细胞“苏醒”的开关

撰文 | 咸姐

大多数细胞的生长和增殖都依赖于细胞自主合成的天冬氨酸。天冬氨酸的合成和消耗是由两种可逆反应控制的——其合成是在线粒体中由谷氨酸和草酰乙酸通过谷氨酸-草酰乙酸转氨酶2（GOT2）实现的，而其进入细胞质后则被谷氨酸-草酰乙酸转氨酶1（GOT1）所消耗。电子传递链可以通过促进三羧酸（TCA）循环中草酰乙酸的生成促进天冬氨酸的合成，研究发现在电子传递链功能缺失的情况下，外源性天冬氨酸的加入可以拯救癌细胞的增殖，而向细胞中补充核苷或天冬酰胺也可部分消除这种限制【1-3】。

研究已证实电子传递链最重要的功能之一是促进天冬氨酸合成，而天冬氨酸可被细胞用于合成蛋白质、其他氨基酸（精氨酸、天冬酰胺、谷氨酸和N-乙酰天冬氨酸）和核苷酸（嘌呤和嘧啶），此外，天冬氨酸也可促进TCA。天冬氨酸的合成不仅对于癌细胞的增殖非常重要，一些增殖正常的细胞也受到其限制，包括T细胞和肺内皮细胞。而天冬氨酸-谷氨酸载体1（将天冬氨酸从线粒体运输到细胞质）是少突胶质细胞祖细胞增殖所必需的。此外，研究发现干细胞（包括造血干细胞HSC）的功能通常需要电子传递链的活性，但并非总是如此，线粒体功能似乎在不同干细胞中有着复杂的效应。一些干细胞表达谷氨酸/天冬氨酸转运体GLAST（Slc1a3），包括神经干细胞，使它们能够吸收细胞外天冬氨酸。苹果酸脱氢酶1 (苹果酸-天冬氨酸穿梭酶的一个组成部分) 的敲低降低了辐照小鼠胎儿肝HSC的重组能力。那么我们不禁要问：天冬氨酸水平是否会限制正常干细胞的功能呢？

2021年8月26日，来自美国德克萨斯大学西南医学中心的Sean J. Morrison团队在Cell Stem Cell在线发表题为 Aspartate availability limits hematopoietic stem cell function during hematopoietic regeneration 的文章，证明造血干细胞（HSC）完全依赖于细胞自主合成的天冬氨酸，HSC的功能受到天冬氨酸可用性的限制。在再生过程中，HSC可以增加天冬氨酸的合成，从而通过增加天冬酰胺和嘌呤的合成促进HSC的功能。

本文研究人员发现，与HSC和多能祖细胞（MPP）表达的内皮蛋白C受体（Epcr，也称为PRORC）相反，在HSC或其他骨髓造血祖细胞（HPC）中几乎检测不到天冬氨酸转运体[Slc1a1、Slc1a2、Slc1a3（Glast）、Slc1a6和Slc1a7]的表达。因此，研究人员首先构建了GLAST过表达（GLAST-OE）的小鼠模型，在促进HSC自我更新的条件下培养野生型或GLAST-OE的HSC 7天，并补充生理水平的13C标记的天冬氨酸，以观察造血细胞对天冬氨酸的吸收。结果发现野生型HSC/HPC几乎无法吸收天冬氨酸，但是GLAST的过表达赋予了它们这种能力，并且造血细胞中GLAST的过表达优先增加了HSC/MPP中的天冬氨酸水平以及骨髓中HSC的数量，同时增加了HSC在造血再生过程中的功能。与此同时，研究人员构建了造血细胞条件性敲除Got1的小鼠模型，实验结果显示虽然造血干细胞、MPP、HPC、限制性祖细胞、分化细胞和集落形成祖细胞的数量没有显著差异，但是在造血再生过程中，Got1的缺乏增加了天冬氨酸水平和造血干细胞功能。此外，研究还发现天冬氨酸的合成在HSC激活时增加，与静息HSC相比，天冬氨酸的合成在快速分裂的髓系祖细胞中增加，提示在HSC/HPC中天冬氨酸合成速率随合成代谢需求而变化。随后，研究人员又构建了条件性敲除Got2的小鼠模型，发现与GLAST过表达和Got1缺失相反，在造血再生过程中，Got2的缺乏降低了天冬氨酸水平和造血干细胞功能。由此表明在造血再生过程中，天冬氨酸水平限制了造血干细胞的功能。

利用GLAST过表达的HSC，同位素追踪实验发现，在静息或增殖的HSC中，天冬氨酸水平对蛋白质合成没有影响，但是外源性天冬氨酸可以促进TCA循环或用于合成核苷酸和天冬酰胺。同时，Got1的缺乏显著降低了TCA循环中间产物中的天冬氨酸部分的富集，提示Got1的缺乏减少了从天冬氨酸进入TCA循环的碳。然而研究人员发现，天冬氨酸对TCA循环的影响并不会增加HSC的数量或功能。同样的，实验结果显示GLAST也并没有通过增加嘧啶或N-乙酰天冬氨酸（NAA）的合成来促进HSC功能。那么天冬氨酸到底是如何影响HSC功能的呢？通过构建天冬酰胺合成酶缺失小鼠模型，研究人员发现移植后，天冬酰胺合成酶的缺失显著降低了受体小鼠血液中供体骨髓细胞、B细胞和T细胞以及骨髓中干细胞/祖细胞的水平，也减少了二次移植时GLAST过表达细胞的重塑，由此表明天冬酰胺的合成有助于提高GLAST过表达造血干细胞的功能。在造血再生过程中，天冬酰胺的水平限制了HSC的功能，天冬酰胺的合成或摄取外源性天冬酰胺可以使之增强。与此类似的，对移植了对照或GLAST过表达骨髓细胞的辐照小鼠给予6-巯基嘌呤（6MP，嘌呤合成抑制剂），与对照相比，6MP显著降低了受者血液和骨髓中GLAST过表达骨髓细胞产生供体细胞的频率，由此表明嘌呤的合成也参与了GLAST过表达对HSC功能的影响。而且在造血再生过程中，除了GLAST过度表达的HSC外，嘌呤合成也可促进野生型HSC的功能。

综上所述，本研究发现，HSC激活后，天冬氨酸合成增加，并且在造血再生过程中，天冬氨酸水平限制了HSC的功能，而HSC则可在造血再生过程中增加天冬氨酸、天冬酰胺和嘌呤的合成，以满足增加的合成代谢需求。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.07.011

参考文献

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2. Sullivan, L.B., Luengo, A., Danai, L.V., et al. (2018). Aspartate is an endogenous metabolic limitation for tumour growth. Nat. Cell Biol. 20, 782–788.

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