Cell Stem Cell：“全能”造血干/祖细胞之阶段特异性翻译程序​

来源：精准医学与蛋白组学

精读文献标题：Hematopoietic Stem and Progenitor Cells Exhibit Stage-Specific Translational Programs via mTOR- and CDK1-Dependent Mechanisms（造血干/祖细胞通过依赖mTOR和CDK1机制表现出阶段特异性翻译程序）

发表时间：2020年5月7日

发表期刊：Cell Stem Cell

影响因子：20.86

作者及单位：美国纽约大学医学院病理学系Christopher Y. Park课题组

主要结论：该研究对小鼠造血干/祖细胞 (HSPCs) 中的翻译组学进行了全面的描述，并表明依赖mTOR和CDK1的机制在造血发育的不同阶段激活了翻译。

文献精读

造血干细胞 (HSCs) 是一类具有高度自我更新能力和多系分化潜能的成体干细胞，其分化发育会受到多种信号通路的调控。其中，蛋白质合成是HSCs调控的基础，以不同速率或方式合成蛋白质对HSCs的生长、分化和发育都至关重要，但HSCs或谱系定向的祖细胞是否优先募集转录物来翻译核糖体尚不清楚。此外，造血干细胞的总RNA已进行整合转录组学和蛋白质组学分析，但尚未对翻译核糖体中存在的mRNAs进行直接评估，说明对造血调控最早阶段机制的理解仍有很大差距。由于各种细胞类型在转录后和翻译水平上调控基因的表达存在显著差异，导致总mRNA和蛋白质水平之间缺乏相关性。

2020年5月7日，以美国纽约大学医学院病理学系的Christopher Y. Park课题组为主的研究人员在国际权威期刊Cell Stem Cell (IF=20.86) 上发表了造血干/祖细胞 (HSPCs) 中介导翻译重编程调节机制的重要研究成果。研究人员利用多聚核糖体分析、RNA测序和全蛋白质组学的手段，通过研究LSKs (Lin-Sca-1+c-Kit+) 和髓系祖细胞 (MP; Lin-Sca-1-c-Kit+) 中的翻译组学，发现了LSKs优先翻译维持HSCs的mRNAs，证明了翻译效率 (TEs) 比总RNA更能准确预测蛋白质表达，强调了评估多聚核糖体mRNA以确定调节细胞功能的基因的重要性。并且，HSPCs在发育的不同阶段是通过动态调节mTOR信号通路进行翻译调控的，但在缺乏mTOR时则可通过激活CDK1依赖的机制来维持。

1、LSK与MPs的表达水平和翻译效率不一致性

为探讨哪些mRNAs在造血分化早期有选择性翻译，作者从野生型成年小鼠中分离纯化了富含造血干细胞的LSKs和MPs，并进行了多聚核糖体分析，发现MPs所包含的多聚核糖体mRNA 超过LSKs约20%，与MPs更高水平的整体翻译保持一致 (图1A)。

接下来为了确定LSKs和MPs是否优先翻译特定的mRNA，作者在全基因组范围内评估了它们的翻译效率 (即多聚核糖体mRNA/总mRNA)，证实了总mRNAs的表达水平并不能反映TEs高，在LSKs表达上调的1,924个mRNAs中只有1.7%的TEs较MPs高，同样在MPs表达上调的929个mRNAs中只有0.4%的TEs较LSKs高 (图1B)。这些数据表明，LSKs和MPs不仅表达不同的转录本，而且还翻译特定的mRNAs，这些mRNAs介导与它们独特的发育状态一致的生物学功能。与MPs相比，LSKs的整体翻译虽然减少，但LSKs对其转录本的翻译调控比例要高于MPs。图1  LSKs和MPs翻译程序的差异性

2、LSK和MPs翻译程序表现出阶段特异性

mTOR信号通路能激活细胞翻译程序，与MPs相比，虽然LSKs整体翻译水平较低，但表现出mTOR依赖性更高的TEs，并优先翻译mTOR激活的mRNA以及维持HSCs所需的mRNA。蛋白酶体会介导mTOR降解，不过E3泛素连接酶c-Cbl活性能促进MPs的整体翻译水平。在体外雷帕霉素处理c-Cbl-/-小鼠后，MPs克隆形成能力降低，这证实MPs的成熟髓系细胞产量增加依赖mTOR信号通路。在MPs中，虽然c-Cbl使mTOR活性缺失，但通过CDK1磷酸化4E-BP1的S65残基，即可允许释放eIF4E，形成MPs依赖CDK1/4E-BP1/eIF4E机制进行翻译和维持正常生理功能。

图2  早期造血过程中的翻译重编程模式图

综上所述，本研究利用转录组学和蛋白质组学数据综合分析，发现了LSKs表现出较低的整体翻译，但具有维持HSCs所需的mRNAs的高翻译效率 (TEs)。另外，MPs以mTOR非依赖的方式激活翻译，部分原因是E3泛素连接酶c-Cbl以蛋白酶体方式降解mTOR；c-Cbl缺乏使mTOR表达和信号通路异常激活，导致成熟髓系细胞输出增加；在缺乏mTOR时，CDK1通过4E-BP1磷酸化激活MPs中eIF4E依赖的翻译程序 (图3)。该研究发现了一种以前未知的翻译重编程的机制，为其他发育系统和细胞类型的翻译调控提供了重要的指导意义。

图3  翻译重编程机制示意图