成年哺乳动物中，所有血细胞谱系都来自骨髓
（BM）
造血干细胞
（HSC）
，其发育过程受到转录因子的严格调控，这些转录因子在促进HSC自我更新的同时，也促进其分化为所有成熟的血细胞谱系。因此，在面对生理和外部压力时，保持HSC功能对于正常血液系统的终身生成至关重要。除了确保关键转录、代谢和表观遗传调控的准确性之外，近期的研究揭示出蛋白质组稳态
（“蛋白质稳态”）
在维持干细胞的命运和功能方面具有关键作用。例如，由于蛋白质合成的改变或者蛋白质降解的缺陷导致蛋白质稳态的失衡，将损害HSC功能，并使造血干细胞和祖细胞
（HSPCs）
易形成肿瘤
【1】
。内质网
（ER）
未折叠蛋白反应
（UPR）
可缓解蛋白质组应激，其对HSPCs的命运和疾病发生的影响尚不清楚。
哺乳动物的UPR由3种ER跨膜酶所介导：IRE1α
（
Ern1
）
、PERK
（
Eif2ak3
）
和ATF6α
（
Atf6
）
，它们通过感知和解决蛋白毒性应激来促进细胞稳态，或者在无法修复的应激条件下触发凋亡以保持细胞和组织的完整性。IRE1α的信号传导是真核细胞中最保守的UPR轴。激活的IRE1α从未剪接的
XBP1
（
XBP1U
）
mRNA中剪接出一个26个核苷酸的内含子，以产生剪接的
XBP1
（
XBP1S
）
mRNA
【2】
。虽然未剪接的XBP1编码的蛋白不稳定且功能未知，但剪接的XBP1 mRNA编码碱性亮氨酸拉链
（bZIP）
转录因子XBP1，XBP1是IRE1α转导信号的关键介质，它诱导伴侣蛋白和促进ER扩增和促进蛋白折叠的蛋白质表达
【3】
。HSPCs的翻译和代谢活性较低，但依然检测到IRE1α-XBP信号，那么什么因素诱导了这种生理水平的IRE1α活性以及IRE1α在HSPCs中的靶点是什么。同时，IRE1α-XBP信号如何影响HSPCs中急性髓系白血病
（AML）
的发展也不清楚。一方面，AML细胞系的药理学抑制研究支持IRE1α的促肿瘤作用，但另一方面，临床数据显示较高的IRE1α活性和剪接XBP1表达与患者生存呈正相关。这些矛盾的结果是否反映了AML细胞类型或IRE1α的阶段特异性活性，还是表明IRE1α可以缓解AML尚不清楚。
AML的细胞组成是异质的，包括构成患者疾病的数量众多的母细胞
（blast cell）
和少量的白血病干细胞
（LSCs）
，它们与正常HSC共享关键的干细胞基因特征，包括自我更新的能力。LSCs对AML的肿瘤发生和维持至关重要，它们对许多AML疗法的耐药性与患者的疾病复发有关。目前尚不清楚IRE1α-XBP1信号是否对LSC和母细胞产生差异性影响。
近日，来自NIK的
Stanley Adoro
团队在
Nature Immunology
杂志上发表文章
IRE1α–XBP1 safeguards hematopoietic stem and progenitor cells by restricting pro-leukemogenic gene programs
，
发现在HSPCs中，IRE1α信号是防止髓系白血病发生的保障。IRE1α的激活部分是由NOX2介导的，其激活诱导的XBP1抑制Wnt-β-catenin通路介导的促白血病基因程序的表达
。综合转录组分析和XBP1在全基因组的结合位点确定出XBP1抑制的β-catenin靶点的“18基因特征”，其在预后较差的AML病例中高度表达。在HSPCs中，IRE1α缺陷与骨髓增殖癌基因协同作用，在小鼠中引起致命的AML，而诱导表达XBP1则抑制患者来源AML细胞的白血病干细胞程序和活性。因此，
IRE1α-XBP1信号通过限制HSPCs中的促白血病程序来保护血液系统的完整性
。
研究人员首先在骨髓HSPCs中检测IRE1α的活性，发现随着HSPC分化为更受限的祖细胞，IRE1α的活性逐渐增加。HSPCs处于静止状态，蛋白质合成率低，这意味着这些细胞中的IRE1α活性不太可能是由于翻译的需求。进一步探究发现，NADPH氧化酶
（NOX）
——尤其是NOX2介导产生ROS，进而激活IRE1α活性。研究人员构建了造血细胞中IRE1α缺陷小鼠——Vav-iCre
+
Ern1
fl/fl
, IRE1α-XBP1信号的缺陷对静息状态的HSPC稳态没有影响，细胞组成和比例都没有显著变化。但是，转录组分析显示，HSPCs细胞的转录本发生了大量的变化。令人惊讶的是经典的IRE1α-XBP1靶向基因基本没变化，而多种促肿瘤生成通路发生显著上调，这与更多的IRE1α缺陷HSPCs处于细胞周期相一致。
研究人员进一步探究IRE1α-XBP1对HSPCs发生恶性肿瘤的影响。
Flt3
ITD
的敲入导致小鼠骨髓增生性肿瘤，而不会导致AML；而
Ern1
的进一步缺失则导致小鼠在4个月即出现疾病症状并致死，且纯合缺失或杂合缺失均导致致命性AML发生。通过构建骨髓嵌合体小鼠以及构建Mx1Cre
+
Ern1
fl/fl
Flt3
ITD/+
小鼠
（Mx1Cre可由成年小鼠本底的I型干扰素信号诱导表达，即出生后IRE1α信号缺陷）
，证明造血细胞的IRE1α缺陷促进AML发生，而非造血细胞的IRE1α缺陷不能促进AML发生。分析骨髓中细胞组成，发现IRE1α缺陷的
Flt3
ITD
小鼠的正常造血受到严重破坏，红细胞生成严重缺陷，HSPC和GMP群体扩增。将HSPC和GMP进行移植，发现仅
Ern1
ko
Flt3
ITD/+
HSPC能诱导脾肿大和骨髓细胞扩增，即为AML启动细胞。即IRE1α抑制了一种白血病基因程序，该程序促进了表达FLT3-ITD的受限HPCs的AML启动能力。进一步分析
Ern1
ko
Flt3
ITD/ITD
和
Ern1
wt
Flt3
ITD/ITD
HSPCs的转录组变化，发现
Ern1
ko
Flt3
ITD/ITD
差异性表达多种促白血病基因程序，如Wnt-β-catenin信号介导的，同时Wnt-β-catenin通路的失调是IRE1α缺陷的特异性下游效应，而不是FLT3-ITD。此外，XBP1通过与TCF4结合，抑制β-catenin下游的TCF/LEF活性。
综合分析XBP1在基因组上的结合位点、β-catenin/TCF4靶点基因、IRE1α调控基因等确定出XBP1抑制的β-catenin靶点的“18基因特征”。在5个独立的AML病人队列中，相比于最低表达者，最高25%的“18基因特征”表达者其整体生存和疾病无进展生存更差。“18基因特征”或可成为AML预后诊断的潜在分子特征。
从突变HSPC克隆中产生LSCs是AML起始和发病的第一步，研究人员探究了IRE1α-XBP1信号传导在LSCs和母细胞中的差异性关系。
Ern1
ko
Flt3
ITD/ITD
HSPCs具有显著富集的LSC基因特征，提示IRE1α信号与LSC程序是负相关。分析原代人源AML细胞转录组发现相比于母细胞，LSC中IRE1α的转录及活性显著降低。在另一项AML案例中，人LSCs同样显示IRE1α的转录及活性显著降低，且这种表达模式与是否存在FLT3-ITD无关，这提示IRE1α-XBP1信号是LSCs的普遍特征。最后研究人员在病人来源的AML细胞中验证其缺失IRE1α活性，回补XBP1
（IRE1α介导的剪接形式）
显著抑制LSC基因程序和Wnt-β-catenin信号通路，并降低其在甲基纤维素培养物中骨髓集落形成的能力。而且，病人来源AML移植导致NSG小鼠发生AML致死，而回补XBP1
（IRE1α介导的剪接形式）
能显著延长小鼠生存。
综上所述，这项研究
揭示了IRE1α-XBP1在维持HSPCs稳态预防髓系白血病发生过程中具有重要作用，XBP1功能的获得可限制AML细胞中的白血病干细胞（LSC）基因程序，而IRE1α不足促进了急性髓系白血病的发生
。
https://www.nature.com/articles/s41590-024-02063-w
制版人：十一
1. Signer, R. A., Magee, J. A., Salic, A. & Morrison, S. J. Haematopoietic stem cells require a highly regulated protein synthesis rate.
Nature
509, 49–54 (2014).
2. Hetz, C., Zhang, K. & Kaufman, R. J. Mechanisms, regulation and functions of the unfolded protein response.
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
21, 421–438 (2020).
3. Calfon, M. et al. IRE1 couples endoplasmic reticulum load to secretory capacity by processing the
XBP-1
mRNA.
Nature
415, 92–96 (2002).
BioART战略合作伙伴
（*排名不分先后）
转载须知
【原创文章】BioArt原创文章，
欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。
