Cell Stem Cell
|泛素連接酶HECTD1通過協調核糖體大小亞基的組裝來調控造血干細胞的再生能力
造血干細胞（Hematopoietic stem cell， HSC）具有自我更新和分化的功能。在正常生理狀態下，HSC處于休眠狀態，其蛋白合成速度受到嚴格地調控并維持在較低水平。當機體受到損傷時，HSC 能夠迅速增殖和分化以滿足機體對血細胞的需求，而這一過程伴隨著蛋白合成水平的升高。由于核糖體是體內蛋白質合成的主要場所，因此核糖體發生紊亂會影響蛋白質的合成速率和準確性，進而嚴重影響造血干細胞的再生能力【1】。目前已知有三種遺傳性骨髓衰竭綜合征（inherited bone marrow failure syndromes, iBMF）與核糖體發生紊亂直接相關，其中 Shwachman-Diamond綜合征與核糖體裝配因子突變引起的核糖體功能障礙有關【2】。然而至今幾乎沒有研究報道這些裝配因子本身是如何被調控的，以及這些調控與造血干細胞再生和核糖體病變之間的關系。
來自美國費城兒童醫院和賓夕法尼亞大學Perelman醫學院的Wei Tong教授長期致力于造血干細胞及白血病的研究。近日，Wei Tong團隊以Article形式在Cell Stem Cell上發表了題為HectD1 controls hematopoietic stem cell regeneration by coordinating ribosome assembly and protein synthesis的研究成果。研究者通過小鼠體內骨髓移植和多核糖體譜分析技術發現泛素連接酶HectD1通過泛素化降解核糖體60S亞基的重要結合因子ZNF622來調控核糖體的組裝和蛋白合成，進而調控HSC的功能。
為了研究HectD1在造血干細胞中的功能，作者首先構建了Hectd1造血系統特異的條件型基因敲除的小鼠（Hectd1f/f；Vav-Cre），并發現HectD1并不影響正常生理狀態下造血干細胞的增殖和分化。接著作者做了競爭性骨髓移植實驗來研究損傷狀態下HectD1對造血干細胞功能的影響。通過分析外周血和骨髓中供體細胞的比例，作者發現: 與對照組相比，來自Hectd1f/f；Va-Cre小鼠的造血干細胞的移植能力顯著降低，并且體外培養會使Hectd1f/f；Va-Cre小鼠的造血干細胞更大程度地喪失干細胞的移植活性。
為了進一步探究造成這一表型的分子機制，研究者結合免疫共沉淀和質譜分析技術找到了HectD1的底物—核糖體結合因子ZNF622。進一步的研究發現Hectd1的缺失造成了ZNF622不能被降解，并累積在核糖體60S亞基上，導致下游的抗結合因子eIF6不能有效地釋放，進而影響了核糖體40S和60S兩個亞基的裝配。這一現象導致了全蛋白質組水平蛋白翻譯效率的降低，并直接削弱了造血干細胞的功能。
為了在遺傳學上證明HectD1與ZNF622的上下游關系，研究者分離了Hectd1f/f；Va-Cre小鼠的造血干細胞，并感染了攜帶有敲低ZNF622的慢病毒并再次進行了骨髓移植實驗。有意思的是，ZNF622的敲低不但提高了Hectd1缺失細胞的蛋白合成效率，而且恢復了Hectd1f/f；Va-Cre造血干細胞的骨髓移植和髓系細胞分化能力（圖2）。
綜上所述，研究者發現了一個新的調控造血干細胞核糖體組裝和蛋白翻譯的基因—Hectd1，并探究了其通過調控核糖體結合因子ZNF622的降解來調節造血干細胞功能的分子機制。無論在分子水平還是個體水平上，Hectd1基因敲除的小鼠都與核糖體發生紊亂造成的骨髓衰竭疾病Shwachman-Diamond綜合征高度類似，而且ZNF622的敲低并不影響野生型細胞的功能，提示ZNF622有望成為一個新的基因治療的靶點來治療Shwachman-Diamond綜合征。
費城兒童醫院博士后呂考升和博士生龔楚杰分別為本文的第一作者和第二作者。Wei Tong教授為本文的通訊作者。該工作的完成得益于賓西法尼亞大學Perelman醫學院Vikram R. Paralkar博士和劍橋大學Alan J. Warren教授的大力幫助。
Wei Tong教授實驗室的長期研究方向為造血干細胞發育和白血病、遺傳性貧血等血液病。實驗室有充裕的NIH資金支持。近幾年，Wei Tong教授作為第一通訊作者在Cell Stem Cell, Journal of Clinical Investigation, Blood, Genes& Dev, Journal of Experimental Medicine等國際著名期刊發表多篇研究論文。目前實驗室主要致力于以下幾個方向：1）探索細胞因子信號通路如何通過調控基因組完整性來維持造血干細胞的功能；2）研究調控核糖體發生的新型調節蛋白在造血干細胞再生和骨髓衰竭綜合癥中的功能；3）探索新的體外擴增造血干細胞的方法以用于基因治療；4）通過CRISPR篩選尋找影響白血病細胞生長及其對藥物敏感性的關鍵調控基因。
