Cell Stem Cell | 支链氨基酸——决定造血干细胞命运的代谢“开关”|亚群|有效成分|氨基酸|活性|线粒体|细胞|蛋白

撰文 |咸姐

造血干细胞（HSC）是维持机体终生造血功能的核心细胞群体，具有自我更新和多向分化的能力，但长期以来，人们观察到其再生能力并非无限，而是随分裂次数累积而逐渐衰退。这一现象被称为“世代年龄假说（generation-age hypothesis）”，即HSC的增殖历史会内在地决定其后续的谱系生成能力【1】。然而，HSC功能随分裂史下降的具体分子与代谢机制，一直是干细胞生物学领域的核心未解问题。

传统观点认为，HSC的功能衰退主要源于“分化性分裂”——即长期造血干细胞（LT-HSC）通过分裂产生更多定向分化、功能受限的短期祖细胞。然而，越来越多的证据提示，HSC池本身具有高度异质性，其内部存在功能状态、代谢活性和分裂史的差异。处于静息状态的HSC依赖低代谢活性，如无氧糖酵解和溶酶体/分解代谢活动来维持其干性。而当HSC被激活进入细胞周期时，会发生剧烈的代谢重编程，转向更高的线粒体呼吸、生物合成和合成代谢活动，以支持其增殖和分化【2,3】。因此，代谢状态不仅是HSC静息与激活状态的“开关”，更可能是连接其分裂史与功能命运的关键桥梁。近年来，代谢调控在干细胞生物学中的作用日益受到关注，尤其是线粒体代谢、氨基酸利用与细胞周期调控之间的相互作用，被认为是影响HSC功能状态的关键因素，但对于在生理性稳态条件下，HSC自身分裂史如何通过重编程其代谢网络，进而导致功能“漂变”和输出紊乱，仍缺乏系统性的阐释。

2026年1月13日，来自美国辛辛那提大学医学院的Marie-Dominique Filippi团队在Cell Stem Cell上在线发表题为Activation of a branched-chain amino acid rheostat restores replication-dependent hematopoietic stem cell fitness的文章，以H2B-GFP标记滞留系统结合线粒体膜电位探针TMRE，首次在体内稳态条件下系统解析了分裂史不同的HSC亚群在功能、转录组和代谢层面的异质性，证明经历多次分裂的HSC会产生低输出量的子代细胞，这些子代细胞在谱系分布上高度变异，且在单个谱系内出现转录层面的显著分化。而HSC功能衰退源于支链氨基酸（BCAA）的代谢利用从分解代谢转向合成代谢，通过补充BCAA代谢产物能够恢复依赖分裂史的HSC功能活性。

为了揭示HSC随分裂史增加而功能衰退的内在机制，本文研究人员采用整合了多西环素诱导的H2B-GFP标记滞留系统与TMRE线粒体活性探针的精细实验模型，发现标记滞留细胞（LRC）群体并非均一，而是可根据其分裂史（GFP强度）和代谢状态（TMRE水平）进一步划分为GFP高/TMRE低（G Hi T Lo ）、GFP高/TMRE高（G Hi T Hi ）、GFP低/TMRE低（G Lo T Lo ）及GFP低/TMRE高（G Lo T Hi ）等四个功能迥异的亚群。通过竞争性连续移植实验的严格功能评估，研究人员证实分裂史本身是驱动HSC功能发生“漂变”而并非简单分化的关键因素。具有最高干性潜能的G Hi T Lo HSC能产生长期、高输出且谱系平衡的重建，而随着分裂次数增加（GFP降低）或代谢激活（TMRE升高），HSC的再生潜能显著衰退，其产生的子代重建模式变得高度异质且不稳定，呈现出低输出、谱系贡献随机偏移（如髓系偏向）等特征。

为了深入研究分裂对HSC产生的影响，研究人员采用单细胞RNA测序技术，对移植后由不同分裂史 HSC（G Hi T Lo 与 G Lo T Lo 亚群）重建的小鼠骨髓c-Kit + 细胞进行了高分辨率转录组分析。研究结果证实，HSC的复制历史不仅影响其直接子代的功能，更会将“复制压力”的记忆传递至整个造血系统，导致广泛的转录组失调。与分裂史少的HSC相比，来自高分裂史HSC的受体小鼠，其骨髓不仅在不同谱系细胞状态的比例上出现随机、不协调的显著波动，更重要的是，在几乎所有被分析的谱系内部（如髓系、红系、巨核系、淋巴系），单个细胞的转录状态都发生了系统性偏离，聚集在完全不同的主成分分析空间区域，并伴随着大量与蛋白翻译、细胞周期、氧化还原、免疫应答及线粒体/溶酶体通路相关的差异表达基因。由此表明，HSC的复制历史诱发了超越谱系比例失调的更深层次紊乱，即“谱系内转录漂变”，使得整个分化路径上的细胞在分子特征上均发生广泛变异。

那么，为什么有分裂史的HSC功能更差呢？研究人员综合运用了单细胞转录组测序、批量RNA测序以及针对少量细胞优化的液相色谱-质谱非靶向代谢组学技术，系统比较了不同分裂史与代谢状态LRC亚群在激活进入细胞周期后的分子与代谢特征。研究结果表明，HSC的复制历史驱动了其代谢网络的深刻重编程。转录组分析显示，随着分裂史增加和代谢激活，HSC的基因表达特征从富集干性、静息和分解代谢相关通路（如溶酶体、胆固醇代谢），转变为富集细胞周期、谱系启动和合成代谢相关程序。尤为关键的代谢组学数据显示，与具有最高干性的G Hi T Lo HSC相比，经历分裂的G Lo T Lo HSC的BCAA水平显著升高，而其分解代谢产物（如酰基肉碱）则减少，导致BCAA分解代谢与BCAA本身的比率显著下降，同时核苷酸等生物合成前体物质含量增加。这些发现共同证实，HSC的复制历史导致了其核心代谢流向的改变——从维持干性所需的分解代谢状态（特别是活跃的BCAA氧化）转向了支持快速增殖的合成代谢状态，这种代谢重编程是HSC随分裂发生功能衰退的内在驱动力。

进一步地，研究结果显示，BCAA代谢，特别是亮氨酸的分解代谢，是HSC细胞周期速度与干细胞潜能之间的核心耦联机制。具有高分裂史的HSC（G Lo T Lo ）表现出支链氨基转移酶2（BCAT2）蛋白表达降低、BCAA分解代谢减弱、mTOR活性升高、细胞周期进入（首轮分裂时间）显著加快以及体外多系分化潜能下降。外源性补充亮氨酸的分解产物α-酮异己酸（KIC）能有效逆转这些表型——恢复BCAA氧化水平、降低mTOR活性、减缓细胞周期进程，并挽救多系分化潜能。相反，使用BCAT抑制剂则模拟了高分裂史HSC的表型，加速了细胞周期并损害了HSC功能。这些结果共同证实，BCAA分解代谢通路作为一个关键的代谢检查点，通过调控mTOR活性和核苷酸合成等下游事件，将缓慢的细胞周期（延迟）与强大的干性功能紧密耦联在一起；而当该通路因分裂史积累而受损时，这种耦联被打破，导致HSC过早进入快速增殖状态并伴随功能衰退。此外，体外与体内的功能性移植实验均证实，单一代谢产物的补充足以从根本上逆转由复制历史或应激导致的HSC功能衰退。经KIC体外处理的高分裂史HSC，在二次移植受体中表现出显著改善的长期、高输出且谱系平衡的重建能力，恢复了约40%受体的稳健植入。在体内复制应激模型中，KIC治疗同样显著增强了应激后重建的HSC池的功能，使其在二次移植中的成功植入率从40%提升至70%。这些结果表明，通过外源性补充BCAA分解代谢产物KIC来“绕过”因分裂史而受损的BCAT2酶功能，可以有效恢复HSC的代谢稳态，重建其细胞周期控制，并最终持久地挽救其长期多系再生潜能。

综上所述，本研究系统揭示了HSC随分裂累积而发生功能衰退的核心机制，即分裂史驱动HSC代谢重编程，使其支链氨基酸利用从维持干性的分解代谢转向促进增殖的合成代谢，导致细胞周期加速、转录组漂变及再生输出紊乱。研究结果解答了目前对HSC代际衰老理解中长期存在的核心问题，其关键突破在于，这种“分裂记忆”相关的功能损伤是可逆的——外源性补充亮氨酸分解产物KIC可有效重建代谢平衡，恢复HSC的细胞周期调控与长期多系重建能力。该发现不仅提出了HSC衰老的“代谢漂变”新范式，更为通过代谢干预增强HSC功能、改善造血再生治疗策略提供了直接的理论依据和转化前景，对HSC再生医学具有深远的临床意义。

https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.12.018

制版人：十一

参考文献

1. Rosendaal, M., Hodgson, G.S., and Bradley, T.R. (1979). Organization of haemopoietic stem cells: the generation-age hypothesis.Cell Tissue Kinet.12, 17–29.

2. Vannini, N., Girotra, M., Naveiras, O., et al. (2016). Specification of haematopoietic stem cell fate via modulation of mitochondrial activity.Nat. Commun.7, 13125.

3. Hsu, P., and Qu, C.K. (2013). Metabolic plasticity and hematopoietic stem cell biology.Curr. Opin. Hematol.20, 289–294.

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（*排名不分先后）