暨南大學衰老與再生醫學研究院鞠振宇研究組與中國科學院生物物理研究所陳暢研究組合作共同揭示了蛋白質亞硝基化修飾對自我更新時期的造血幹細胞蛋白穩態及存活新的調控機制。北京时間2021年3月30日，國際學術期刊《細胞報告》線上發表了這一研究成果。
造血幹細胞（Hematopoietic stem cell，HSC）是血液系統中的成體幹細胞，具有長期自我更新的能力和分化成多種成熟血細胞的卓越能力。化療和放療等常見的癌症治療方法在殺死癌細胞的同時損傷造血幹細胞，影響血液再生和病人的免疫系統。在各種應激情况特別是骨髓移植或者化療誘導的骨髓消融的情况下，造血幹細胞的再生能力對於造血系統的補充至關重要。為了維持造血幹細胞的長期造血重建能力，大部分的造血幹細胞處在靜止狀態，棲息在低氧的環境中。然而，在增殖及自我更新的壓力下，氧化應激和硝化應激對HSC再生中的調控機制尚不清楚。
在鞠振宇研究員和陳暢研究員的指導下，兩組研究人員共同揭示了蛋白質亞硝基化修飾對自我更新時期的造血幹細胞蛋白穩態及存活的調控機制，證明了蛋白質巰基去亞硝基化關鍵酶GSNOR（S-nitroglutathione reductase）介導的蛋白亞硝基化修飾與Chop介導的未折疊蛋白反應在造血幹細胞再生過程中調節HSC活性之間的機制聯系。這一發現強調了在增殖應激下適當調節HSC蛋白穩態的重要性，而蛋白質硝基化修飾的干預可能有助於實現HSC的功能擴展。
研究人員首先發現，增殖壓力下造血幹細胞中NO及整體蛋白巰基亞硝基化修飾SNO的水准明顯升高，同時伴隨著大量蛋白聚集的累積，該結果提示NO及SNO對增殖壓力下造血幹細胞具有一定的調控作用。研究人員利用調控蛋白質巰基去亞硝基化關鍵酶GSNOR敲除的小鼠進一步發現，敲除GSNOR對於穩態情况下的造血系統錶型沒有顯著影響。但是，在增殖壓力下，敲除GSNOR的小鼠HSC造血重建能力下降，自我更新能力减弱。接下來研究人員通過亞硝基化修飾蛋白組學聯用質譜，流式細胞術等方法發現敲除GSNOR的HSC中NO及整體SNO水准明顯升高，同時細胞聚集體的累積及細胞凋亡顯著增加。為了證明過度啟動的NO訊號通路誘導GSNOR敲除小鼠HSC重構缺陷的假設，研究人員用NO的抑制劑L-NAME處理，發現GSNOR敲除小鼠的造血重建能力及自我更新能力均明顯增强。同時，給予幫助蛋白折疊的分子伴侶TCA處理及在GSNOR敲除小鼠中同時敲除誘導凋亡的Chop基因，均能明顯改善GSNOR敲除小鼠的造血重建能力。
作為一種翻譯後修飾，蛋白質巰基亞硝基修飾是信號轉導途徑的重要介體。异常巰基亞硝基化修飾通常會影響蛋白質錯誤折疊並導致內質網應激，從而導致細胞功能受損。該研究顯示再生應激下HSC中蛋白質巰基亞硝基化和蛋白質聚集水准新增，這加强了蛋白質巰基亞硝基化新增與蛋白質折疊受損之間的關係。在該研究中，敲除GSNOR細胞中，一些熱休克蛋白HSP60、HSP70和HSP90（蛋白質折疊所需的重要伴侶）巰基亞硝基化修飾水准顯著增加。接下來，研究測定了熱休克蛋白90（HSP90）的巰基亞硝基化及其在蛋白質聚集中的作用。該研究報導了HSP90在GSNOR敲除細胞中的M結構域（Cys521/590/591）新的巰基亞硝基化殘基修飾並證明它可以影響HSP90的蛋白質折疊功能，引起蛋白質聚集。通過突變HSP90的亞硝基化殘基逆轉巰基亞硝基化修飾可以顯著改善GSNOR敲除引起的蛋白質聚集。該研究發現HSP90的巰基亞硝基化修飾損害了其蛋白質折疊活性，導致應激時GSNOR敲除細胞中蛋白質聚集的累積。鑒於GSNOR缺乏可以通過新增許多蛋白質的巰基亞硝基化修飾誘導蛋白質聚集，後續確定GSNOR調節未折疊蛋白質反應的其他重要靶點也非常有意義。
這項研究解釋了在調節HSC再生過程中GSNOR介導的蛋白巰基亞硝基化和Chop介導的未折疊蛋白反應之間重要機制聯系。該研究強調了HSC蛋白穩態調節在生理情况以及增殖應激下維持HSC應啟動性的重要性。同時，在增殖壓力下，蛋白亞硝基化修飾調控可能有助於實現HSC功能擴增，並且不會影響其存活。這項研究為造血幹細胞再生的調控提供了新的理論基礎。
暨南大學衰老與再生醫學研究院鞠振宇教授、中國科學院生物物理研究所陳暢教授和暨南大學衰老與再生醫學研究院陳陟陽教授、劉波副教授為該文共同通訊作者，博士生易微微、張玉英、副教授劉波為共同第一作者。該研究獲得國家重點研發計畫、中國科學院戰略性先導科技專案（B類）、國家自然科學基金重大研究計畫的資助。
GSNOR調控增殖壓力下造血幹細胞中蛋白亞硝基化（SNO）與NO的平衡。倒影中當鳥在樁上的時候，木樁保持平衡，鳥飛走後，木樁出現失衡。鳥代表GSNOR，木樁的平衡是NO和SNO。
圖文摘要
文章連結：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.108922
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