近日，億納譜團隊聯(lián)合上海交通大學、華東師范大學、中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心，于Cell Metabolism（IF=29.0）在線發(fā)表題為"Deciphering the metabolic heterogeneity of hematopoietic stem cells with single-cell resolution" 的研究論文，建立了解析造血干細胞異質(zhì)性的高通量單細胞代謝組新技術(shù)。
造血干細胞（hematopoietic stem cell）是一類非常稀少的干細胞，能夠通過自我更新及多系分化建立起完整且成熟的血液系統(tǒng)。在發(fā)育的不同階段，造血干細胞的代謝狀態(tài)也發(fā)生了巨大的變化，為了滿足造血需求，造血干細胞會在胚胎時期快速增殖分裂，到了小鼠出生后，造血需求逐漸降低，造血干細胞會暫停分裂，進入長期靜息狀態(tài)。得益于質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展，造血干細胞代謝相關(guān)研究越來越豐富，已經(jīng)有不少研究人員利用液相質(zhì)譜（liquid chromatography–mass spectrometry）技術(shù)證明了數(shù)種代謝物及其通路能直接參與造血干細胞功能調(diào)控。然而，造血干細胞并非一個均勻的整體，傳統(tǒng)的液相質(zhì)譜難以用于細胞的異質(zhì)性分析，在檢測通量上也有著明顯的局限性，因此如何高通量地在單細胞水平解析造血干細胞的代謝組將是下一個挑戰(zhàn)。
本工作中，億納譜團隊聯(lián)合上海交通大學、華東師范大學、中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心從頭搭建了一套結(jié)合抗體染色、預固定、流式分選、自動化樣品處理以及基質(zhì)輔助的激光解吸電離質(zhì)譜技術(shù)的高通量單細胞代謝組分析平臺（high-throughput single-cell metabolomics, hi-scMet），成功從單細胞中檢測到超過100個代謝物。基于此技術(shù)，成功繪制了造血譜系全細胞代謝組圖譜，揭示了造血干細胞擴增過程中的代謝轉(zhuǎn)變，也證明了磷酸戊糖途徑在造血干細胞激活中的作用。
首先，團隊分離了成體小鼠骨髓中的12種血系細胞，共計1428個細胞進行了單細胞代謝組分析。結(jié)果證明，只有10%左右的代謝物在造血干細胞中高度富集，有超過70%的代謝物在造血干細胞中濃度更低，這暗示了靜息狀態(tài)的造血干細胞表現(xiàn)出更低的代謝活性。
Hi-scMet標準程序示意圖
此外，該研究引入了TetO-H2B-GFP；R26rtTA小鼠模型，將造血干細胞分為4個自我更新能力不同的亞群。結(jié)果證明，造血干細胞亞群的代謝水平呈現(xiàn)出趨勢性變化，自我更新能力越強的造血干細胞越偏向于維持在低代謝活性狀態(tài)，其中33個代謝物出現(xiàn)了顯著性的趨勢性變化。在這之中，有不少物質(zhì)參與糖代謝，例如葡萄糖、乳酸、蘋果酸與6-磷酸葡糖酸（6PG）等。
最后，為了確定6PG所在的磷酸戊糖途徑是否能在體內(nèi)調(diào)控造血干細胞的功能，周波課題組設(shè)計并引入了6PG合成酶基因敲除小鼠Pgls+/-以及磷酸戊糖途徑抑制劑6-AN。結(jié)果發(fā)現(xiàn)， Pgls基因敲除的造血干細胞在長期移植重建時表現(xiàn)出更弱的血液系統(tǒng)重建能力；6-AN注射也會顯著抑制造血干細胞及祖細胞的重建過程。這證明基因敲除或藥物抑制磷酸戊糖途徑都會導致造血干細胞的自我更新能力受損。
總之，該研究成功建立了基于流式分選的單細胞代謝組分析平臺，彌補了過去代謝組分析在靈敏度、通量、細胞完整性與靶向性不能俱全的問題，成功繪制了造血譜系全細胞代謝組圖譜，證明了造血干細胞處于更低的代謝活性，發(fā)現(xiàn)了磷酸戊糖途徑能調(diào)控造血干細胞的自我更新能力。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.12.005