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馬克斯·普朗克免疫學和表觀遺傳學研究所及蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員近日繪制了首張綜合圖譜，詳細描繪了人類血液干細胞在衰老、特化或癌變過程中的代謝和分子變化。

這項開創(chuàng)性研究憑借靈敏的低起始量技術(shù)，確定營養(yǎng)物質(zhì)膽堿在維持年輕干細胞特征方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。研究成果發(fā)表在《Nature Cell Biology》雜志上，為通過營養(yǎng)干預和治療手段維持血液系統(tǒng)的健康指明了方向。

造血干細胞（HSC）是隱藏在骨髓中的稀有細胞。它們擁有獨特的能力，能夠生成各種類型的血細胞，從攜氧的紅細胞到抗感染的免疫細胞。造血干細胞對維持人體健康至關(guān)重要。

然而，隨著年齡增長或罹患白血病等疾病，其非凡的再生能力可能下降或受損，導致血液和免疫系統(tǒng)容易受到攻擊，尤其是在壓力環(huán)境下。那么，造血干細胞在此過程中發(fā)生了怎樣的變化？

研究人員首次提供了這些稀有細胞中代謝和分子程序的綜合圖譜，揭示了這些內(nèi)部特征如何隨著細胞特化、衰老或癌變而發(fā)生變化。

當然，研究這些細胞并非易事。到目前為止，深入了解造血干細胞的代謝特征一直是一項巨大的挑戰(zhàn)。由于造血干細胞很稀少，再加上人類骨髓樣本很難獲得，開展全面分析一直困難重重。

共同第一作者、馬克斯·普朗克研究所的Maria-Eleni Lalioti說：“為了克服這個問題，我們開發(fā)了高度靈敏的技術(shù)，能夠從極少量的細胞中獲取有意義的代謝數(shù)據(jù)。因此，我們能夠用比傳統(tǒng)方法少得多的細胞來測定數(shù)百種代謝物和脂質(zhì)。”

研究人員將流式細胞術(shù)（FACS）與液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）分析相結(jié)合，優(yōu)化了一種低起始量的非靶向脂質(zhì)組學流程。他們通過FACS分選了5,000個造血干細胞及其下游前體細胞。

通過將收集到的代謝數(shù)據(jù)與基因表達譜相結(jié)合，研究團隊建立了細胞內(nèi)化學過程和基因活性的綜合“圖譜”，進而追蹤血液干細胞在健康、衰老和疾病的不同階段的變化。

“例如，我們發(fā)現(xiàn)人類干細胞的代謝活性低于更成熟的后代。能量產(chǎn)生、構(gòu)建細胞結(jié)構(gòu)和合成氨基酸所需的代謝物更少。這與干細胞通常處于靜息狀態(tài)以保護自身及其功能的現(xiàn)狀一致，”Nina Cabezas-Wallscheid 教授說道。她是文章的共同通訊作者。

研究人員還驚訝地發(fā)現(xiàn)，膽堿是一種干細胞促進劑。作為一種必需的營養(yǎng)素，膽堿是存在于雞蛋、大豆和魚類等食物中。健康的干細胞具有較高的膽堿水平，但隨著細胞分化，膽堿水平會下降，并隨著年齡增長和白血病的發(fā)生而進一步下降。

共同第一作者Mari Carmen Romero-Mulero表示：“我們的實驗表明，補充膽堿可以促進脂質(zhì)生成，并有助于維持更年輕的干細胞樣特征，這表明特定的營養(yǎng)素可能是維持干細胞功能的關(guān)鍵。”

這項研究還揭示了血液干細胞脂質(zhì)組成的變化，這種變化會改變細胞膜結(jié)構(gòu)，并影響其對周圍環(huán)境的感知和響應(yīng)。研究人員認為，這些發(fā)現(xiàn)為探索代謝如何塑造細胞的內(nèi)部機制及其與環(huán)境的相互作用提供了新的方向。

這項研究清楚地表明，人類血液干細胞在特化、衰老或患病的過程中會發(fā)生根本性的代謝變化。這些變化可以重塑它們的身份和行為。

“這就引發(fā)了一些有趣的問題：針對性的營養(yǎng)干預是否有助于維持干細胞健康，以及代謝干預是否能支持白血病治療或促進健康衰老？”Nina Cabezas-Wallscheid 說道。 

通過揭示代謝如何引導人類血液干細胞的命運，這項研究為未來旨在維持干細胞功能的療法奠定了基礎(chǔ)，有望幫助我們的血液系統(tǒng)更長久地保持健康。 

參考文獻

Differentiation, ageing and leukaemia alter the metabolic profile of human bone marrow haematopoietic stem and progenitor cells