維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)對于機體抵抗脅迫促進健康衰老非常關鍵。蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)對于干細胞功能的維持也很關鍵。其中造血干細胞（Hematopoietic stem cells，HSCs）會產(chǎn)生血液以及免疫細胞。為了維持干細胞的功能和組織完整性，造血干細胞依賴于專門的應激反應機制來減輕不同生物學過程中的脅迫反應，調(diào)節(jié)和維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)。但是一直以來干細胞在應對脅迫過程中是調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的具體分子機制還不甚清楚。

2021年8月12日，美國加州大學圣地亞哥分校Robert A.J. Signer研究組發(fā)文題為Hsf1 promotes hematopoietic stem cell fitness and proteostasis in response to ex vivo culture stress and aging，發(fā)現(xiàn)在體外培養(yǎng)的造血干細胞中Hsf1因子可以促進其適應性以及蛋白質(zhì)的穩(wěn)態(tài)，從而能夠破除造血干細胞在體外擴大培養(yǎng)的障礙。

作者們先前的研究表明，年輕的成體造血干細胞比其他的造血干細胞的具有更低的蛋白質(zhì)合成水平【1】。低蛋白合成水平對成體造血干細胞的維持是必要的，因為哪怕蛋白合成的少量增加都會破壞蛋白穩(wěn)定并損害機體內(nèi)造血干細胞的自我更新【2,3】。作者們發(fā)現(xiàn)體外培養(yǎng)迅速誘導小鼠和人造血干細胞中蛋白質(zhì)合成的大量增加，從而破壞蛋白質(zhì)平衡。造血干細胞在培養(yǎng)中無法大量生長這一點正是其在細胞治療中擴大應用的主要障礙。

為了探究造血干細胞體外培養(yǎng)過程中出現(xiàn)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)紊亂的可能機制，作者們對其2,368個轉(zhuǎn)錄本發(fā)生變化的基因進行檢測，并對發(fā)生變化的基因進行了基因集合富集分析（Gene set enrichment analysis）【4】。作者們發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)的造血干細胞中，細胞應激反應調(diào)控基因發(fā)生了顯著上調(diào)，該結(jié)果說明造血干細胞的體外培養(yǎng)過程中的確經(jīng)歷了應激脅迫反應。而且培養(yǎng)的造血干細胞中上調(diào)最多的幾個基因集合均與蛋白質(zhì)合成有關，包括核糖體生物發(fā)生、mRNA加工、氨基酸代謝過程、翻譯起始、翻譯延伸和翻譯終止等等。

蛋白質(zhì)合成穩(wěn)態(tài)的維持主要是由蛋白質(zhì)合成與降解之間的平衡所決定的。通過利用蛋白酶體的報告因子UbG76V-GFP小鼠，作者們發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)合成的增加以及錯誤折疊蛋白的量會超過蛋白酶體的承載量從而導致蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的紊亂。

與新鮮造血干細胞相比，體外培養(yǎng)的造血干細胞表現(xiàn)出明顯的熱響應基因上調(diào)（圖1），這一現(xiàn)象引起了作者們的興趣，說明體外培養(yǎng)的造血干細胞的蛋白質(zhì)合成紊亂的癥結(jié)可能是出在熱激反應過程之中。熱激反應是細胞質(zhì)中響應蛋白質(zhì)脅迫的中心細胞反應，主要是由轉(zhuǎn)錄因子Hsf1所控制的【5】。作者們發(fā)現(xiàn)體外培養(yǎng)一段時間的造血干細胞會出現(xiàn)顯著的細胞核內(nèi)HSF1的累積，敲除Hsf1之后造血干細胞的多譜系重組活性發(fā)生了嚴重的損害。因此，Hsf1是促進體外年輕成體造血干細胞維持的關鍵因素。

圖1 Hsf1促進體外造血干細胞的維持

既然如此，如果進一步增加Hsf1的活性是否會增加離體培養(yǎng)的造血干細胞的生長呢？為此，作者們對體外培養(yǎng)的造血干細胞進行了Hsp90抑制劑17-AAG以及TRiC抑制劑/HSF1激活劑HSF1A的處理，發(fā)現(xiàn)17-AAG和HSF1A持續(xù)增強培養(yǎng)的造血干細胞的長期多細胞譜系重組活性，而且體外培養(yǎng)的造血干細胞在功能上也類似于新鮮的造血干細胞。進一步地，作者們發(fā)現(xiàn)Hsp90抑制劑17-AAG以及TRiC抑制劑/HSF1激活劑HSF1A的作用發(fā)揮很大程度上也依賴于Hsf1。通過在小鼠體內(nèi)的實驗，作者們還發(fā)現(xiàn)Hsf1在中老年成人造血干細胞中被激活。因此，在衰老過程中造血干細胞的蛋白酶穩(wěn)定受到挑戰(zhàn)的時候，Hsf1的激活會降低蛋白質(zhì)的合成，幫助調(diào)節(jié)和促進蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的維持。

圖2 工作模型

總的來說，該工作鑒定發(fā)現(xiàn)了體外培養(yǎng)的造血干細胞蛋白質(zhì)合成增加的具體分子機制，主要與Hsf1的核積累有關，正是Hsf1的異常造成了造血干細胞體外維持的缺陷。在培養(yǎng)基中添加增強Hsf1活性的小分子可以抑制蛋白質(zhì)的合成，重新調(diào)配蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的平衡，該工作為體外大規(guī)模的培養(yǎng)提供了新的可能性。