1月2日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Cell Metabolism在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心周波研究組、華東師范大學(xué)萬(wàn)晶晶教授和上海交通大學(xué)錢昆教授的合作研究成果：“Deciphering the metabolic heterogeneity of hematopoietic stem cells with single-cell resolution”。該工作從頭搭建了一套結(jié)合抗體染色、預(yù)固定、流式分選、自動(dòng)化樣品處理以及基質(zhì)輔助的激光解吸電離質(zhì)譜技術(shù)的高通量單細(xì)胞代謝組分析平臺(tái)（high-throughput single-cell metabolomics, hi-scMet），能夠從單細(xì)胞中檢測(cè)到超過(guò)100個(gè)代謝物。基于此技術(shù)，該工作成功繪制了造血譜系全細(xì)胞代謝組圖譜，揭示了造血干細(xì)胞擴(kuò)增過(guò)程中的代謝轉(zhuǎn)變，也證明了磷酸戊糖途徑在造血干細(xì)胞激活中的作用。
造血干細(xì)胞（hematopoietic stem cell）是一類非常稀少的干細(xì)胞，能夠通過(guò)自我更新及多系分化建立起完整且成熟的血液系統(tǒng)。在發(fā)育的不同階段，造血干細(xì)胞的代謝狀態(tài)也發(fā)生了巨大的變化。為了滿足造血需求，造血干細(xì)胞會(huì)在胚胎時(shí)期快速增殖分裂，小鼠出生后，造血需求逐漸降低，造血干細(xì)胞會(huì)暫停分裂，進(jìn)入長(zhǎng)期靜息狀態(tài)。得益于質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展，造血干細(xì)胞代謝相關(guān)研究越來(lái)越豐富，已經(jīng)有不少研究人員利用液相質(zhì)譜（liquid chromatography–mass spectrometry）技術(shù)證明了數(shù)種代謝物及其通路能夠直接參與造血干細(xì)胞功能調(diào)控。然而，造血干細(xì)胞并非是一個(gè)均勻的整體，傳統(tǒng)的液相質(zhì)譜技術(shù)難以用于細(xì)胞的異質(zhì)性分析，在檢測(cè)通量上也有著明顯的局限性，因此如何高通量地在單細(xì)胞水平解析造血干細(xì)胞的代謝組將是下一個(gè)挑戰(zhàn)。
周波研究組分離了成體小鼠骨髓中的12種血系細(xì)胞，共計(jì)1428個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了單細(xì)胞代謝組分析，利用hi-scMet技術(shù)平臺(tái)繪制了整個(gè)造血譜系的單細(xì)胞代謝組圖譜，此外，團(tuán)隊(duì)引入了TetO-H2B-GFP；R26rtTA小鼠模型，將造血干細(xì)胞分為4個(gè)自我更新能力不同的亞群。結(jié)果證明，造血干細(xì)胞亞群的代謝水平呈現(xiàn)出趨勢(shì)性變化，自我更新能力越強(qiáng)的造血干細(xì)胞越偏向于維持在低代謝活性狀態(tài)，其中33個(gè)代謝物出現(xiàn)了顯著性的趨勢(shì)性變化。在這之中，有不少物質(zhì)參與糖代謝，例如葡萄糖、乳酸、蘋果酸與6-磷酸葡糖酸（6PG）等。
為了確定6PG所在的磷酸戊糖途徑是否能在體內(nèi)調(diào)控造血干細(xì)胞的功能，周波研究組設(shè)計(jì)并引入了6PG合成酶基因敲除小鼠Pgls+/-以及磷酸戊糖途徑抑制劑6-AN。結(jié)果發(fā)現(xiàn)， Pgls基因敲除的造血干細(xì)胞在長(zhǎng)期移植重建時(shí)表現(xiàn)出更弱的血液系統(tǒng)重建能力；6-AN注射也會(huì)顯著抑制造血干細(xì)胞及祖細(xì)胞的重建過(guò)程。這證明基因敲除或藥物抑制磷酸戊糖途徑都會(huì)導(dǎo)致造血干細(xì)胞的自我更新能力受損。
總之，該項(xiàng)研究成功建立了基于流式分選的單細(xì)胞代謝組分析平臺(tái)，彌補(bǔ)了過(guò)去代謝組分析在靈敏度、通量、細(xì)胞完整性與靶向性不能俱全的問(wèn)題，成功繪制了造血譜系全細(xì)胞代謝組圖譜，證明了造血干細(xì)胞處于更低的代謝活性，發(fā)現(xiàn)了磷酸戊糖途徑能調(diào)控造血干細(xì)胞的自我更新能力。
上海交通大學(xué)曹敬博士生、分子細(xì)胞卓越中心姚頎博士生和上海交通大學(xué)吳嬌博士生為該論文的共同第一作者。分子細(xì)胞卓越中心周波研究員為該論文的責(zé)任通訊作者，華東師范大學(xué)萬(wàn)晶晶教授和上海交通大學(xué)錢昆教授為該論文的共同通訊作者。該項(xiàng)工作得到了中國(guó)科學(xué)院、基金委、科技部等項(xiàng)目的資助以及分子細(xì)胞卓越中心動(dòng)物實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)和細(xì)胞分析技術(shù)平臺(tái)的幫助與支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.12.005
高通量單細(xì)胞代謝組解析平臺(tái)示意圖
