維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)對(duì)于機(jī)體抵抗脅迫促進(jìn)健康衰老非常關(guān)鍵。蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)對(duì)于干細(xì)胞功能的維持也很關(guān)鍵。其中造血干細(xì)胞（Hematopoietic stem cells，HSCs）會(huì)產(chǎn)生血液以及免疫細(xì)胞。為了維持干細(xì)胞的功能和組織完整性，造血干細(xì)胞依賴于專門的應(yīng)激反應(yīng)機(jī)制來(lái)減輕不同生物學(xué)過(guò)程中的脅迫反應(yīng)，調(diào)節(jié)和維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)。但是一直以來(lái)干細(xì)胞在應(yīng)對(duì)脅迫過(guò)程中是調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的具體分子機(jī)制還不甚清楚。

2021年8月12日，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校Robert A.J. Signer研究組發(fā)文題為Hsf1 promotes hematopoietic stem cell fitness and proteostasis in response to ex vivo culture stress and aging，發(fā)現(xiàn)在體外培養(yǎng)的造血干細(xì)胞中Hsf1因子可以促進(jìn)其適應(yīng)性以及蛋白質(zhì)的穩(wěn)態(tài)，從而能夠破除造血干細(xì)胞在體外擴(kuò)大培養(yǎng)的障礙。

作者們先前的研究表明，年輕的成體造血干細(xì)胞比其他的造血干細(xì)胞的具有更低的蛋白質(zhì)合成水平【1】。低蛋白合成水平對(duì)成體造血干細(xì)胞的維持是必要的，因?yàn)槟呐碌鞍缀铣傻纳倭吭黾佣紩?huì)破壞蛋白穩(wěn)定并損害機(jī)體內(nèi)造血干細(xì)胞的自我更新【2,3】。作者們發(fā)現(xiàn)體外培養(yǎng)迅速誘導(dǎo)小鼠和人造血干細(xì)胞中蛋白質(zhì)合成的大量增加，從而破壞蛋白質(zhì)平衡。造血干細(xì)胞在培養(yǎng)中無(wú)法大量生長(zhǎng)這一點(diǎn)正是其在細(xì)胞治療中擴(kuò)大應(yīng)用的主要障礙。

為了探究造血干細(xì)胞體外培養(yǎng)過(guò)程中出現(xiàn)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)紊亂的可能機(jī)制，作者們對(duì)其2,368個(gè)轉(zhuǎn)錄本發(fā)生變化的基因進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)發(fā)生變化的基因進(jìn)行了基因集合富集分析（Gene set enrichment analysis）【4】。作者們發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)的造血干細(xì)胞中，細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)調(diào)控基因發(fā)生了顯著上調(diào)，該結(jié)果說(shuō)明造血干細(xì)胞的體外培養(yǎng)過(guò)程中的確經(jīng)歷了應(yīng)激脅迫反應(yīng)。而且培養(yǎng)的造血干細(xì)胞中上調(diào)最多的幾個(gè)基因集合均與蛋白質(zhì)合成有關(guān)，包括核糖體生物發(fā)生、mRNA加工、氨基酸代謝過(guò)程、翻譯起始、翻譯延伸和翻譯終止等等。

蛋白質(zhì)合成穩(wěn)態(tài)的維持主要是由蛋白質(zhì)合成與降解之間的平衡所決定的。通過(guò)利用蛋白酶體的報(bào)告因子UbG76V-GFP小鼠，作者們發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)合成的增加以及錯(cuò)誤折疊蛋白的量會(huì)超過(guò)蛋白酶體的承載量從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的紊亂。

與新鮮造血干細(xì)胞相比，體外培養(yǎng)的造血干細(xì)胞表現(xiàn)出明顯的熱響應(yīng)基因上調(diào)（圖1），這一現(xiàn)象引起了作者們的興趣，說(shuō)明體外培養(yǎng)的造血干細(xì)胞的蛋白質(zhì)合成紊亂的癥結(jié)可能是出在熱激反應(yīng)過(guò)程之中。熱激反應(yīng)是細(xì)胞質(zhì)中響應(yīng)蛋白質(zhì)脅迫的中心細(xì)胞反應(yīng)，主要是由轉(zhuǎn)錄因子Hsf1所控制的【5】。作者們發(fā)現(xiàn)體外培養(yǎng)一段時(shí)間的造血干細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)顯著的細(xì)胞核內(nèi)HSF1的累積，敲除Hsf1之后造血干細(xì)胞的多譜系重組活性發(fā)生了嚴(yán)重的損害。因此，Hsf1是促進(jìn)體外年輕成體造血干細(xì)胞維持的關(guān)鍵因素。

圖1 Hsf1促進(jìn)體外造血干細(xì)胞的維持

既然如此，如果進(jìn)一步增加Hsf1的活性是否會(huì)增加離體培養(yǎng)的造血干細(xì)胞的生長(zhǎng)呢？為此，作者們對(duì)體外培養(yǎng)的造血干細(xì)胞進(jìn)行了Hsp90抑制劑17-AAG以及TRiC抑制劑/HSF1激活劑HSF1A的處理，發(fā)現(xiàn)17-AAG和HSF1A持續(xù)增強(qiáng)培養(yǎng)的造血干細(xì)胞的長(zhǎng)期多細(xì)胞譜系重組活性，而且體外培養(yǎng)的造血干細(xì)胞在功能上也類似于新鮮的造血干細(xì)胞。進(jìn)一步地，作者們發(fā)現(xiàn)Hsp90抑制劑17-AAG以及TRiC抑制劑/HSF1激活劑HSF1A的作用發(fā)揮很大程度上也依賴于Hsf1。通過(guò)在小鼠體內(nèi)的實(shí)驗(yàn)，作者們還發(fā)現(xiàn)Hsf1在中老年成人造血干細(xì)胞中被激活。因此，在衰老過(guò)程中造血干細(xì)胞的蛋白酶穩(wěn)定受到挑戰(zhàn)的時(shí)候，Hsf1的激活會(huì)降低蛋白質(zhì)的合成，幫助調(diào)節(jié)和促進(jìn)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的維持。

圖2 工作模型

總的來(lái)說(shuō)，該工作鑒定發(fā)現(xiàn)了體外培養(yǎng)的造血干細(xì)胞蛋白質(zhì)合成增加的具體分子機(jī)制，主要與Hsf1的核積累有關(guān)，正是Hsf1的異常造成了造血干細(xì)胞體外維持的缺陷。在培養(yǎng)基中添加增強(qiáng)Hsf1活性的小分子可以抑制蛋白質(zhì)的合成，重新調(diào)配蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的平衡，該工作為體外大規(guī)模的培養(yǎng)提供了新的可能性。