Cell Stem Cell
|泛素连接酶HECTD1通过协调核糖体大小亚基的组装来调控造血干细胞的再生能力
造血干细胞（Hematopoietic stem cell， HSC）具有自我更新和分化的功能。在正常生理状态下，HSC处于休眠状态，其蛋白合成速度受到严格地调控并维持在较低水平。当机体受到损伤时，HSC 能够迅速增殖和分化以满足机体对血细胞的需求，而这一过程伴随着蛋白合成水平的升高。由于核糖体是体内蛋白质合成的主要场所，因此核糖体发生紊乱会影响蛋白质的合成速率和准确性，进而严重影响造血干细胞的再生能力【1】。目前已知有三种遗传性骨髓衰竭综合征（inherited bone marrow failure syndromes, iBMF）与核糖体发生紊乱直接相关，其中 Shwachman-Diamond综合征与核糖体装配因子突变引起的核糖体功能障碍有关【2】。然而至今几乎没有研究报道这些装配因子本身是如何被调控的，以及这些调控与造血干细胞再生和核糖体病变之间的关系。
来自美国费城儿童医院和宾夕法尼亚大学Perelman医学院的Wei Tong教授长期致力于造血干细胞及白血病的研究。近日，Wei Tong团队以Article形式在Cell Stem Cell上发表了题为HectD1 controls hematopoietic stem cell regeneration by coordinating ribosome assembly and protein synthesis的研究成果。研究者通过小鼠体内骨髓移植和多核糖体谱分析技术发现泛素连接酶HectD1通过泛素化降解核糖体60S亚基的重要结合因子ZNF622来调控核糖体的组装和蛋白合成，进而调控HSC的功能。
为了研究HectD1在造血干细胞中的功能，作者首先构建了Hectd1造血系统特异的条件型基因敲除的小鼠（Hectd1f/f；Vav-Cre），并发现HectD1并不影响正常生理状态下造血干细胞的增殖和分化。接着作者做了竞争性骨髓移植实验来研究损伤状态下HectD1对造血干细胞功能的影响。通过分析外周血和骨髓中供体细胞的比例，作者发现: 与对照组相比，来自Hectd1f/f；Va-Cre小鼠的造血干细胞的移植能力显著降低，并且体外培养会使Hectd1f/f；Va-Cre小鼠的造血干细胞更大程度地丧失干细胞的移植活性。
为了进一步探究造成这一表型的分子机制，研究者结合免疫共沉淀和质谱分析技术找到了HectD1的底物—核糖体结合因子ZNF622。进一步的研究发现Hectd1的缺失造成了ZNF622不能被降解，并累积在核糖体60S亚基上，导致下游的抗结合因子eIF6不能有效地释放，进而影响了核糖体40S和60S两个亚基的装配。这一现象导致了全蛋白质组水平蛋白翻译效率的降低，并直接削弱了造血干细胞的功能。
为了在遗传学上证明HectD1与ZNF622的上下游关系，研究者分离了Hectd1f/f；Va-Cre小鼠的造血干细胞，并感染了携带有敲低ZNF622的慢病毒并再次进行了骨髓移植实验。有意思的是，ZNF622的敲低不但提高了Hectd1缺失细胞的蛋白合成效率，而且恢复了Hectd1f/f；Va-Cre造血干细胞的骨髓移植和髓系细胞分化能力（图2）。
综上所述，研究者发现了一个新的调控造血干细胞核糖体组装和蛋白翻译的基因—Hectd1，并探究了其通过调控核糖体结合因子ZNF622的降解来调节造血干细胞功能的分子机制。无论在分子水平还是个体水平上，Hectd1基因敲除的小鼠都与核糖体发生紊乱造成的骨髓衰竭疾病Shwachman-Diamond综合征高度类似，而且ZNF622的敲低并不影响野生型细胞的功能，提示ZNF622有望成为一个新的基因治疗的靶点来治疗Shwachman-Diamond综合征。
费城儿童医院博士后吕考升和博士生龚楚杰分别为本文的第一作者和第二作者。Wei Tong教授为本文的通讯作者。该工作的完成得益于宾西法尼亚大学Perelman医学院Vikram R. Paralkar博士和剑桥大学Alan J. Warren教授的大力帮助。
Wei Tong教授实验室的长期研究方向为造血干细胞发育和白血病、遗传性贫血等血液病。实验室有充裕的NIH资金支持。近几年，Wei Tong教授作为第一通讯作者在Cell Stem Cell, Journal of Clinical Investigation, Blood, Genes& Dev, Journal of Experimental Medicine等国际著名期刊发表多篇研究论文。目前实验室主要致力于以下几个方向：1）探索细胞因子信号通路如何通过调控基因组完整性来维持造血干细胞的功能；2）研究调控核糖体发生的新型调节蛋白在造血干细胞再生和骨髓衰竭综合症中的功能；3）探索新的体外扩增造血干细胞的方法以用于基因治疗；4）通过CRISPR筛选寻找影响白血病细胞生长及其对药物敏感性的关键调控基因。
