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eLife | 蛋白质组学揭示造血干细胞转录后蛋白抑制机制

精准医学与蛋白组学

2022.2.11

景杰生物 | 报道

造血干细胞 (HSC)负责血液和免疫细胞的持续更新，可以分化为多能祖细胞(MPP)，包括MPPa、MPPb和MPPc和寡能祖细胞 (OPP)，包括CMP、GMP、MEP、CLP，再由祖细胞分化为效能细胞发挥免疫作用[1]。鉴于HSC及祖细胞的重要性，在基因组和转录组水平上已被广泛表征。然而，在蛋白质组学层面上仍不完全清楚。

2020年11月25日，专业学术期刊 eLife (IF=8.140)发表了题为 “Proteomic analysis of young and old mouse hematopoietic stem cells and their progenitors reveals post-transcriptional regulation in stem cells” 的文章。研究运用蛋白质组学分析揭示了成年小鼠造血干细胞中存在转录后抑制基因集。结果表明小鼠造血干细胞中转录后抑制基因集对造血干细胞的细胞维持机制、生态位相互作用和命运决定具有更广泛的意义。

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造血干细胞和祖细胞蛋白组学特征

研究人员选择12种小鼠细胞，分别为成年和老年小鼠HSC、MPP，成年小鼠OPP。其中8种成年小鼠细胞和3种老年小鼠细胞，用质谱鉴定出每种细胞中的蛋白质数量。研究发现细胞周期相关蛋白Ki67在HSC中丰度最低，在MPP中丰度稳步增加，在OPP中最高。通路富集结果同样表明HSC中与细胞周期和DNA损伤修复相关蛋白丰度较低，意味着HSC通常处于静止状态，不进入细胞周期。

图1 HSC和祖细胞间蛋白丰度差异

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蛋白质差异性验证

研究人员使用FACS分析和荧光显微镜印证质谱鉴定结果的准确性。发现DNA甲基转移酶3a（Dnmt3a）在所有HSC样本中均未检测到，但在MPP和OPP样本中检测到，这一结果与质谱结果相印证。进一步研究发现，Dnmt3a蛋白不存在于HSC中，而是随着HSC进入细胞周期而积累，以沉默HSC相关基因并使HSC分化为多能或寡能细胞。

图2 非质谱方法的蛋白组学结果验证

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HSC和MPP衰老蛋白组学特征

血液衰老过程的特征为髓样偏倚和高频改变。使用质谱鉴定成年和老年小鼠HSC和MPP中蛋白质种类，发现老年小鼠HSC细胞中蛋白中类比成年小鼠多35%。除此之外，像cKit和Slamf1等蛋白质在老年小鼠细胞中的丰度显著高于成年小鼠细胞。von-Willebrand因子（vWF）被证明与髓样偏倚相关，在老年小鼠细胞中显著增加，诱导细胞衰老。富集分析显示，细胞周期和DNA损伤修复相关蛋白在细胞衰老过程中逐渐增多。

图3 HSC和祖细胞衰老的蛋白组学特征

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HSC细胞中翻译抑制的特殊调控机制

有趣的是，虽然在HSC中检测到与MPPs丰度值相当的Dnmt3a和Adnp的mRNA转录物，但在HSC中Adnp蛋白丰度显著降低，而Dnmt3a蛋白在HSC中竟然不存在。然而，管家蛋白Hprt1的mRNA转录物丰度值在所有细胞类型中最低，但在Hprt1的蛋白质丰度在所有细胞类型中都是一致的。

图4 转录组学对蛋白组学的影响
研究人员就这种奇怪的现象进一步研究，发现在HSC中与核糖体生物发生相关的蛋白质的丰度且细胞中总RNA含量均为最低，推断出翻译速率和潜在的较低核糖体组分丰度是调节可能是导致成年小鼠HSC中蛋白质丰度降低的原因。

图5 miRNA调控HSC命运机制
为了证实这一推断，在HSC中找到881个mRNA水平上可检测到表达，但在蛋白质水平检测不到的基因，通过与MPPs相比发现mRNA表达水平并未出现明显差异，排除转录抑制蛋白质低丰度的原因。进而找到与这些基因互作的miRNA，取排前四分位数的miRNAs，发现涉及小鼠HSC和早期造血生物学的已知miRNA，例如miR29a、miR25a、miR125b和miR130a，揭示已知miRNA对蛋白质水平的潜在影响。
本研究通过探究成年和老年小鼠HSC和祖细胞之间的蛋白丰度差异，发现HSC中蛋白丰度低且与细胞周期、DNA损伤修复相关蛋白种类少，便从转录组层面上探究原因，最终阐明miRNA的转录后对蛋白的抑制机制，突出了转录组学结合蛋白质组学研究在生物学的重要性。

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参考文献

1. Weissman IL,et al. 2015. Stem cells are units of natural selection for tissue formation, for germline development, and in Cancer development. PNAS.

2. Balyn W Zaro, et al. 2021.Proteomic analysis of young and old mouse hematopoietic stem cells and their progenitors reveals post-transcriptional regulation in stem cells. eLife.

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