2026年6月4日，浙江大学医学院第四附属医院/代谢医学中心张玲玲研究员团队，联合华东理工大学李写、赵玉政团队，暨南大学鞠振宇团队，以及清华大学、复旦大学华山医院、同济大学附属上海市第一妇婴保健院等单位，在Science Bulletin（中科院1区，IF=20.7）发表题为“Succinate antagonizes α-ketoglutarate biosynthesis governing myeloid differentiation in normal hematopoiesis and myelodysplastic syndromes”的研究论文。论文第一作者为：浙江大学医学院第四附属医院张玲玲、浙江树人学院刘雷明、浙江大学医学院第四附属医院王悦、华东理工大学王奥雪、华东理工大学唐伟涛、华东理工大学 宋一可。该文于2026年1月10日投稿，2026年4月14日修回，2026年5月28日接收。
该研究聚焦造血干细胞（hematopoietic stem cells，HSCs）命运决定中的代谢调控问题。研究发现，在正常造血和骨髓增生异常综合征（myelodysplastic syndromes，MDS）背景下，三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA cycle）代谢物并非只是能量代谢中间产物，而是可直接影响HSC髓系分化方向。具体而言，琥珀酸（succinate）可通过促进IDH2琥珀酰化及其降解，降低α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）生成，从而限制HSC向髓系分化；相反，α-KG可促进髓系分化。研究进一步开发了α-KG荧光生物传感器Flik，并筛选发现紫草素（shikonin）可作为α-KG booster，在MDS模型中促进髓系分化并延长生存。
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【摘 要】
造血干细胞（hematopoietic stem cells，HSCs）具有自我更新和分化能力。衰老以及骨髓增生异常综合征（myelodysplastic syndromes，MDS）等病理状态常常会打破髓系与淋巴系之间的平衡。已有证据表明，代谢物能够影响HSC命运，但决定谱系分化的代谢程序仍未完全阐明。
本研究通过比较小鼠长期造血干细胞（long-term HSCs，LT-HSCs）与粒-单核祖细胞（granulocyte-monocyte progenitors，GMPs）、体外培养过程中LT-HSCs，以及不同年龄小鼠LT-HSCs的代谢特征，发现TCA循环代谢物水平的协同下降是髓系分化过程中的共同代谢转换。进一步功能实验显示，琥珀酸可增强LT-HSC干性、维持静息状态，并限制髓系分化；而α-KG则表现出相反作用，可促进髓系输出。
机制上，琥珀酸驱动赖氨酸琥珀酰化，促进线粒体异柠檬酸脱氢酶2（isocitrate dehydrogenase 2，IDH2）发生琥珀酰化并经溶酶体途径降解，导致α-KG生成减少。该“琥珀酸—IDH2琥珀酰化—α-KG降低”轴在正常造血和MDS模型中均参与调控髓系分化。MDS模型中，cKit+细胞出现琥珀酸积累、α-KG不足、蛋白琥珀酰化升高和IDH2下调，提示α-KG缺乏可能推动髓系发育异常。
为寻找更具应用潜力的α-KG提升分子，研究者开发了遗传编码荧光传感器Flik，并筛选发现紫草素可作为有效α-KG booster。紫草素在MDS细胞和小鼠模型中降低异常克隆形成能力、促进粒细胞分化，并延长模型小鼠生存。总体而言，该研究揭示了琥珀酸与α-KG在HSC髓系分化中的拮抗作用，并提示增强α-KG生成可能成为改善MDS髓系分化阻滞的潜在策略。
01
研究背景及科学问题
造血干细胞具有独特的自我更新和分化能力。随着衰老发生，或在MDS等病理状态下，造血系统中的髓系—淋巴系平衡常常发生偏移。已有研究提示，代谢物是HSC命运决定的重要调控因子，但具体由哪些代谢程序控制谱系指定，仍然有待进一步阐明。
为刻画LT-HSC分化过程中的代谢特征，研究者比较了新鲜分离的小鼠LT-HSCs与GMPs中的代谢物，分析了LT-HSCs体外培养0—72 h期间的代谢变化，并检测了2月龄、10月龄和24月龄小鼠LT-HSCs的代谢谱。研究在5000个细胞中鉴定出97种代谢物。对三种髓系分化模型进行综合分析后发现，TCA循环代谢物水平协同下降，构成髓系分化过程中的共同代谢转换。
02
重要发现及亮点
琥珀酸增强HSC干性并限制髓系分化
为了评估TCA循环代谢物变化的功能意义，研究者在培养体系中补充可透膜的TCA循环类似物，包括柠檬酸三乙酯、顺乌头酸、异柠檬酸、琥珀酸二乙酯（diethyl succinate，DE-Suc）、富马酸二甲酯、苹果酸二甲酯或载体溶液。结果显示，DE-Suc可增强LT-HSC群体，增加其频率和细胞数量，同时减少髓系分化并维持细胞静息状态。抑制内源性琥珀酸氧化的4-辛基衣康酸也复制了这一效应，可增加LT-HSC数量并抑制髓系输出。因此，琥珀酸在体外可强化HSC干性，同时限制髓系分化。
为评估全身性琥珀酸暴露的影响，研究者向小鼠给予DE-Suc。长期处理后，原始造血细胞群扩大，LT-HSCs、LSK细胞群以及MPP2—4亚群增加；而下游髓系祖细胞池减少，常见淋巴系倾向祖细胞和B细胞前体数量增加。骨髓和胸腺中的淋巴生成增强，与骨髓和脾脏中的髓系输出受抑制形成对比。外周血结果也证实，淋巴细胞占优，而髓系输出减弱。这说明琥珀酸介导的造血重塑可限制髓系细胞，并促进淋巴系倾向。
对DE-Suc暴露HSCs进行细胞周期分析发现，LT-HSC和LSK群体中G0期静息状态以及有丝分裂分布得以保持。研究者进一步将来自DE-Suc处理供体的250个FACS纯化LT-HSCs与竞争细胞共同移植至致死剂量照射受体小鼠。结果显示，DE-Suc处理供体细胞增强了外周血重建能力，并增加供体来源短期HSC（short-term HSC，ST-HSC）生成。这些细胞的髓系偏向分化减弱，在移植后3个月的外周血中，髓系贡献显著降低。综上，琥珀酸在体内和体外均可维持LT-HSC干性，同时限制髓系分化。
琥珀酸通过IDH2琥珀酰化降低α-KG水平
转录分析显示，叉头框O（Forkhead Box O，FoxO）信号是琥珀酸介导HSC调控中最显著的通路，并通过qPCR得到验证。然而，敲除FoxO3a并不能取消DE-Suc诱导的髓系抑制作用，提示这一过程不依赖FoxO3a。随后，研究者开展定量琥珀酰化组学分析，发现赖氨酸琥珀酰化显著富集。免疫沉淀-质谱鉴定出161种蛋白中的373个琥珀酰化赖氨酸位点，其中大部分位于线粒体，其次为细胞质和其他细胞区室。KEGG分析显示，这些蛋白主要富集于核心代谢通路。
由于TCA循环是修饰最显著的通路，研究者进一步聚焦其酶类蛋白。琥珀酰化组图谱显示，TCA循环酶中存在差异性琥珀酰化。流式细胞术显示，DE-Suc处理小鼠LT-HSCs中的IDH2选择性下调，而转录谱未发生明显改变；免疫印迹进一步证实，cKit+祖细胞中IDH2耗竭。
在TCA循环中，琥珀酰辅酶A（succinyl-CoA）向琥珀酸的转化在生理条件下被认为是可逆的，而由α-KG生成琥珀酰辅酶A则是不可逆过程。琥珀酰辅酶A丰度在很大程度上决定了赖氨酸琥珀酰化，部分通过非酶促方式发生。外源性琥珀酸确实可在293T细胞中诱导显著的琥珀酰辅酶A积累。DE-Suc增加IDH2上12个赖氨酸位点的琥珀酰化，并通过骨髓细胞和HEK293细胞中的亲和下拉实验确认其共同作用。
进一步实验显示，溶酶体抑制剂亮抑酶肽可恢复DE-Suc处理细胞中IDH2蛋白丰度和活性，而蛋白酶体抑制剂MG-132不能；同样，巴佛洛霉素A1和氯喹也能恢复IDH2降解。这与琥珀酸促进溶酶体介导IDH2降解的机制一致。由于IDH2可将异柠檬酸转化为α-KG，IDH2耗竭预期会降低α-KG水平。采用3-NPH衍生化LC-MS/MS检测后发现，与对照相比，DE-Suc将培养HSCs中的α-KG降低至25%。因此，琥珀酸驱动的琥珀酰化可促进IDH2降解，并降低α-KG水平。
琥珀酸与α-KG在正常造血中具有拮抗作用
考虑到琥珀酸和α-KG在细胞命运调控中的代谢拮抗关系，研究者分别在体外向LT-HSCs给予二者。结果与预期一致：二甲基α-酮戊二酸（dimethyl α-ketoglutarate，DMKG）增加髓系输出，而琥珀酸可削弱这一效应。在体内，α-KG显著减少LT-HSC、ST-HSC、MPP4和LSK细胞群，与琥珀酸诱导的扩增相反。与此同时，α-KG使骨髓组成向髓系细胞偏移，而非偏向淋巴系T细胞和B细胞，这与既往体外研究中α-KG促进髓系分化的作用一致。综合来看，这些数据揭示，在生理条件下，琥珀酸和α-KG在调控髓系分化方面发挥相互拮抗的作用。
图1：琥珀酸通过IDH2琥珀酰化降低α-KG水平，从而限制髓系分化。（a）LT-HSCs与GMPs中的TCA代谢物含量，n=3–4。（b）LT-HSCs培养0、24、48和72 h时的TCA代谢物含量，每个时间点n=3个生物学重复，由3–6只小鼠混合获得。（c）2月龄、10月龄和24月龄小鼠LT-HSCs中的TCA代谢物含量，n=3个生物学重复，由3只小鼠混合获得。 vs. 24月龄，P < 0.05。M表示月龄。（d）DE-Suc、苹果酸二甲酯（DM-Malate）、柠檬酸三乙酯（TE-Citrate）、富马酸二甲酯（DM-Fumarate）、顺乌头酸（cis-Aconitate）或异柠檬酸（Isocitrate）（3 mmol/L）处理3 d后对LT-HSCs的影响，n=4–5个生物学重复，由6只小鼠混合获得。（e）DE-Suc在2、4、8 d时间间隔内对LT-HSC增殖的影响，n=3–8个生物学重复，由6只小鼠混合获得。（f）DE-Suc处理8 d后髓系细胞频率（CD16/32+CD11b+），n=8个生物学重复，由6只小鼠混合获得。（g）DE-Suc ± 4-辛基衣康酸（4-OI）处理后LT-HSC频率，培养3 d，n=5–6个生物学重复，由6只小鼠混合获得。（h）DE-Suc ± 4-OI处理后髓系细胞频率，培养8 d，n=4–5个生物学重复，由6只小鼠混合获得。（i）体内DE-Suc处理后的实验方案和骨髓组成，n=4。（j）移植后外周血中供体来源谱系组成，n=4–5。（k）PBS或DE-Suc处理小鼠cKit+细胞中琥珀酰化蛋白的质谱分析，n=10。（l）上调琥珀酰化蛋白的KEGG通路。（m）通过流式细胞术检测LT-HSCs中的TCA循环蛋白水平，每组n=3–5只小鼠。（n）cKit+细胞中IDH2的Western blot，三次独立实验。（o）IDH2琥珀酰化示意图以及293T细胞中的Suc-CoA水平，三次独立实验。（p）采用抗琥珀酰化抗体进行免疫沉淀（IP）后检测IDH2的Western blot。（q）TCA循环示意图，显示IDH2在α-KG生成中的作用。（r）DE-Suc处理8 d后LT-HSCs中的相对α-KG水平。（s）PBS、DE-Suc或DMKG处理后的髓系细胞频率，n=4–7个生物学重复，由3只小鼠混合获得。（t）DMKG处理后LT-HSC、ST-HSC、LSK和MPP2–4细胞群，n=7–8。（u）骨髓中T细胞、B细胞和髓系细胞频率，n=4。（v，w）来自野生型（WT）和MllPTD/WT/Runx1Δ/Δ小鼠的骨髓细胞。（v）cKit+细胞中的琥珀酸，n=4只小鼠/组。（w）通过Western blot检测IDH2和赖氨酸琥珀酰化，3次独立实验。（x）DMKG处理后的集落形成单位（colony-forming unit，CFU）实验，n=4。（y）DMKG处理集落中的CD11b-/Gr-1-双阴性细胞，n=3–4。（z）5 mmol/L DMKG处理集落的Wright-Giemsa染色。比例尺=5 μm。数据以均值±SEM表示。*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001。
MDS中存在琥珀酸积累和α-KG不足，补充α-KG可促进髓系分化
研究者进一步在病理性MDS背景中检验这一机制。对MllPTD/WT/Runx1Δ/Δ MDS模型cKit+细胞进行代谢物定量后发现，这些细胞中存在琥珀酸积累和α-KG不足，同时MDS骨髓细胞中蛋白琥珀酰化升高、IDH2下调。这提示α-KG不足可能驱动髓系发育异常。
药理学干预显示，DE-Suc不影响CFU形成，也不影响CD11b-/Gr-1-祖细胞；而DMKG可剂量依赖性削弱克隆形成能力，选择性降低CD11b-/Gr-1-祖细胞比例，并增强粒细胞分化。与野生型细胞相比，MDS细胞对DMKG表现出特异性高敏感性，支持其潜在治疗价值。这些数据提示，在生理和病理背景下，琥珀酸和α-KG共同协调HSC髓系分化。尽管α-KG对髓系分化阻滞具有潜在干预价值，但其细胞膜通透性较差，因此需要DMKG等类似物。然而，DMKG需要达到较高毫摩尔浓度才有效，这限制了其临床应用，提示有必要寻找更具临床可行性的小分子。
Flik生物传感器筛选发现紫草素可作为α-KG booster
为监测α-KG并筛选可提高α-KG水平的化合物，研究者开发了一种遗传编码荧光传感器。对PII蛋白家族进行系统发育分析后发现，其T-loop感应结构域高度保守，其中GlnK可通过其独特的N端延伸序列强烈感知α-KG。分子对接显示，来自Methanocaldococcus jannaschii的GlnK1可通过Tyr51有利地结合α-KG，并且在Mg2+-ATP结合后T-loop发生紧缩。研究者将环状排列YFP（circularly permuted YFP，cpYFP）插入GlnK1的T-loop中，筛选出响应幅度超过40%的变体，并通过定向进化进行优化。最终获得的变体Flik，即α-KG荧光指示器（Fluorescence indicator of α-ketoglutarate），在约435/505 nm处具有激发峰，在约520 nm处发射荧光。α-KG结合可引起约600%的比值变化，在pH 7.4下Kd约为150 μmol/L。Flik能够选择性检测α-KG，而不响应核苷酸、糖酵解代谢物、TCA循环中间产物或Ca2+。与其他cpYFP类传感器类似，Flik在485 nm处的荧光具有pH敏感性，但其Kd基本不受pH影响。研究者进一步构建Flik-c，用于校正pH效应。
随后，研究者在HEK293细胞中稳定表达Flik，以研究α-KG动态变化。DMKG可快速提高Flik比值，但不影响表达Flik-c的细胞。通过磷酸酶抑制剂库筛选，研究者发现紫草素是一种来源于紫草（Lithospermum erythrorhizon）的生物活性萘醌类化合物，具有抗肿瘤和抗炎活性；它在细胞质和线粒体中均可作为强效α-KG booster。生化实验和活细胞成像进一步验证了这一结果。
紫草素促进MDS髓系分化并延长模型生存
在MllPTD/WT/Runx1Δ/Δ细胞中，紫草素以剂量依赖方式降低CFU数量，且所需浓度远低于DMKG。紫草素还降低CD11b-/Gr-1-双阴性祖细胞比例，并促进粒细胞分化。在野生型小鼠中，0.5 mg/kg紫草素减少T细胞和B细胞数量，但增加红细胞、中性粒细胞和单核细胞数量。在MDS小鼠中，紫草素以0.5 mg/kg/day剂量显著改善生存，该剂量远低于DMKG的有效浓度。
进一步分析人源样本发现，与健康供者相比，MDS患者骨髓单个核细胞（bone marrow mononuclear cells，BMMNCs）中的IDH2和α-KG水平均显著降低。将患者来源BMMNCs移植入NOD/SCID-IL2Rc3GS（NSGS）小鼠后，紫草素可降低骨髓和脾脏中的人源MDS细胞嵌合率，维持体重，显著降低脾脏重量，并显著延长生存。紫草素还上调IDH2表达并增加α-KG生成，同时不影响体重、淋巴细胞增殖/凋亡或器官组织学。上述数据提示，紫草素可能是一种潜在的MDS治疗候选分子。
图2：通过Flik生物传感器筛选获得的α-KG booster紫草素可促进MDS患者来源细胞的髓系分化并延长生存。（a）Flik和Flik-c的α-KG滴定曲线及传感器示意图；cpYFP被插入GlnK1中，n=3次独立实验。（b）Flik对α-KG的荧光响应与其对其他代谢物的响应比较，n=3次独立实验。2HG表示2-羟基戊二酸。（c，d）HEK293细胞经0.5 mmol/L DMKG处理后，Flik和Flik-c的荧光图像（c）及定量结果（d）。比例尺=10 μm。（e）36种磷酸酶抑制剂对表达Flik的HEK293细胞中细胞质或线粒体α-KG水平的影响，并通过Flik-c校正，以热图显示。（f，g）HEK293细胞经2 μmol/L紫草素处理后，Flik和Flik-c的荧光图像（f）及定量结果（g）。比例尺=10 μm。（h–k）MDS细胞和小鼠模型：（h）MllPTD/WT/Runx1Δ/Δ细胞经紫草素处理后的CFU实验，n=3–4。（i）50 nmol/L紫草素处理集落的Wright-Giemsa染色。比例尺=5 μm。（j）将MllPTD/WT/Runx1Δ/Δ骨髓细胞移植至CD45.1小鼠后，分别给予对照、DMKG或紫草素处理的实验设计。（k）生存曲线，n=10。（l）健康供者和MDS患者BMMNCs中IDH2的Western blot，n=6；3次独立检测。（m–t）患者来源BMMNCs在NSGS小鼠中的异种移植实验：（m）处理方案；（n，o）骨髓和脾脏中的人CD45+嵌合率，n=4–8；（p，q）体重和脾脏重量，n=8；（r）生存曲线，n=7。（s，t）紫草素处理小鼠中TCA循环酶的Western blot及定量分析。数据以均值±SEM表示。*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001；N.S.表示无显著差异。
【贡献】★★★★★
α-KG和琥珀酸可在胚胎干细胞和多能干细胞中调控干性。本研究进一步表明，在HSC中，琥珀酸抑制髓系分化，而α-KG通过影响IDH2这一关键α-KG生成酶的琥珀酰化状态促进髓系分化。由于LT-HSC数量有限，琥珀酰辅酶A积累实验是在293T细胞中完成的；但研究者通过多种相互独立的方法，在cKit+细胞和LT-HSC群体中验证了IDH2琥珀酰化和降解的功能后果，支持这一级联反应与造血祖细胞相关。
本研究建立了“琥珀酸驱动IDH2琥珀酰化和降解，导致HSC中α-KG耗竭”的机制。该代谢重塑可能与表观遗传调控相汇合：α-KG是TET家族DNA去甲基化酶和JmjC组蛋白去甲基化酶必需的辅助因子，而琥珀酸可竞争性抑制这两类酶。因此，MDS HSC中α-KG降低可能参与MDS相关DNA高甲基化，为髓系分化阻滞提供了一个“代谢—表观遗传”解释框架。
此外，研究者开发了具有大响应幅度、特异性和适宜亲和力的Flik生物传感器，并借此鉴定出紫草素是一种强效α-KG booster，可在体内抑制MDS进展。紫草素可能通过减弱琥珀酰辅酶A积累或改变酰化调控机制，降低IDH2琥珀酰化，从而上调IDH2并保护其免于溶酶体降解。总体来看，本研究揭示了琥珀酸与α-KG之间的代谢拮抗如何调控正常和病理造血中的髓系分化，并提示通过提升α-KG、恢复IDH2功能，可能为MDS髓系分化阻滞提供新的干预思路。
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