nature aging(IF=17)｜浙大黃河教授團隊解碼造血干細胞 “衰老密碼”：代謝圖譜鎖定尿苷并揭示功能逆轉新機制

英文標題：A metabolic atlas of blood cells in young and aged mice identifies uridine as a metabolite to rejuvenate aged hematopoietic stem cells

中文標題：年輕和老年小鼠血細胞的代謝圖譜確定尿苷是一種使衰老造血干細胞恢復活力的代謝產物

發表期刊：nature aging

影響因子：17

客戶單位：浙江大學醫學中心

百趣提供服務：新一代代謝組學NGM 2

造血是一個高度調控的動態過程，造血干細胞(Hematopoietic Stem Cells, HSCs)通過增殖持續供應各種成熟血細胞，維持氧氣運輸、免疫功能等關鍵生理功能。然而，隨著年齡增長，造血系統功能逐漸衰退，導致血液系統惡性腫瘤風險增加。衰老的HSCs表現出自我更新能力下降、髓系偏斜和植入能力缺陷等問題，同時T細胞老化加速免疫衰老，影響免疫功能。

盡管已有研究揭示了造血系統在轉錄組學、表觀遺傳學和蛋白質組學水平上的年齡相關變化，但衰老血細胞的系統代謝譜仍不明確。代謝在調節細胞功能和命運決定中起關鍵作用，尤其是HSC在缺氧環境中依賴厭氧糖酵解供能。然而，由于代謝組學研究通常需要大量細胞，且自然衰老小鼠模型成本高、耗時長，衰老血細胞的代謝研究面臨挑戰。

本研究通過免疫磁性富集和熒光激活的細胞分選技術(Fluorescence-Activated Cell Sorting, FACS)來分離15種造血細胞，這些造血細胞含有超過9×10⁸的造血細胞個數，來自200只年輕小鼠和150只老年小鼠，范圍從HSC和定向祖細胞到成熟的譜系細胞不等，采用非靶標代謝組學技術檢測，在每個細胞群中鑒定出約2,000個代謝產物，這有助于定義細胞特異性代謝物特征并繪制了衰老血細胞的代謝圖譜。研究還篩選出尿苷作為恢復衰老HSC活力的關鍵代謝物，并構建了開源平臺MetaB(https://metab-platform.github.io/)，為公眾提供數據瀏覽和分析服務。

1、小鼠血細胞的綜合代謝圖譜

為了獲得血細胞的代謝組譜圖，研究者收集了來自年輕和老年C57BL/6小鼠的180個造血樣品，包括造血干細胞和祖細胞(Hematopoietic Stem and Progenitor Cells, HSPCs)、普通淋巴祖細胞(Common Lymphoid Progenitors, CLPs)、普通髓系祖細胞(Common Myeloid Progenitors, CMPs)等15種造血細胞類型。每組使用6個生物學重復，每個樣品至少包含5×106個細胞。通過免疫磁性富集和FACS純化后，利用UPLC-MS/MS非靶代謝組學分析描繪代謝特征。

獲得代謝組學數據后，研究者首先分析了年輕小鼠各血液譜系的代謝組。成功鑒定出約2,000種代謝物，涵蓋脂質、有機酸、苯丙素等多種類別（圖1b-d）。研究發現，不同血細胞的代謝特征差異顯著：髓樣細胞與淋巴樣細胞在t-SNE聚類中明顯分離，而淋巴樣細胞（如CD4 T細胞、CD8 T細胞、B細胞和NK細胞）代謝特征高度相似（圖1e）。與公開轉錄組數據相比，代謝數據集的細胞類型辨別能力較弱，但仍能有效區分不同細胞類型（圖1f-g）。這一高質量代謝數據集為造血過程中的細胞身份定義提供了關鍵參考，揭示了血細胞代謝的復雜性與多樣性。

2、細胞特異性代謝特征的鑒定

研究發現，不同血細胞類型在代謝水平上表現出獨特的特征，這些代謝模式可作為細胞身份的“指紋”。通過對年輕小鼠血細胞的代謝組分析，鑒定出每種細胞類型的特異性代謝物，揭示了它們在譜系定型和細胞命運決定中的潛在作用（圖2）。

造血干細胞和祖細胞：超過150種代謝物在HSPCs中顯著富集，包括3-磷酸甘油酸、胞苷和尿嘧啶，主要參與纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸生物合成、糖酵解/糖異生及嘧啶代謝。這些代謝途徑對HSPCs的存活和自我更新至關重要，例如纈氨酸缺乏會導致HSPCs植入能力喪失。

T細胞：CD4和CD8 T細胞中富集多種脂質，如LPC(16:0)和LysoPC(20:3(5Z,8Z,11Z))。這些脂質不僅是能量來源，還參與T細胞活化、分化和抗腫瘤功能的調控，為免疫治療靶點開發提供了新方向。

紅細胞：紅細胞特異性代謝物主要參與戊糖磷酸途徑、丁酸鹽和丙酸鹽代謝。其中，戊糖磷酸途徑是還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)的唯一來源，其功能異常會導致紅細胞功能缺陷。

這項研究為小鼠血細胞定義了一個高質量的代謝組參考基準，不僅深化了對造血細胞身份調控機制的理解，也為未來抗衰老代謝物篩選和免疫代謝治療提供了重要數據支撐。

3、基于代謝組和轉錄組的相關性分析

通過Spearman相關性檢驗分析代謝物之間的相互作用，揭示了血細胞代謝網絡的復雜性。結果顯示，嘧啶核苷酸如胞苷單磷酸與尿苷5'-單磷酸呈高度正相關（圖3a-b），色氨酸與其下游代謝物2,3-二氫-1H-吲哚也顯著相關（圖3c-d）。在嘌呤代謝網絡中，代謝物間的相關性與KEGG數據庫中的已知通路高度吻合（圖3e-f），驗證了數據集的可靠性，并凸顯其預測代謝轉化過程的潛力。

進一步將代謝數據集與外部轉錄組數據集關聯分析發現，代謝物水平與基因表達存在顯著關聯。例如，三磷酸二腺苷豐度與Nudt2基因表達呈正相關，而鳥苷與Adprm、果糖 1,6-二磷酸與Pdha1基因表達呈負相關（圖3g-j）。此外，肌苷酸、2′-磷酸腺苷、膽酸葡萄糖醛酸等代謝物與炎癥信號通路關鍵基因（如Il2、Tnf）密切相關（圖3k），為解析炎癥調控機制提供了新靶點。

4、衰老過程中血細胞代謝組的動態變化及關鍵通路重塑

研究比較了年輕和老年小鼠血細胞的代謝組，發現衰老重塑了造血系統的代謝特征：年輕與老年血細胞之間存在大量差異代謝物，其中脂質、有機酸、苯類化合物、核苷占代謝改變的80%（圖4a）。鳥苷、尿苷、?；悄懰岬群塑蘸湍懼犷惔x物在年輕血細胞中顯著富集（圖4b），而老年血細胞中不飽和脂肪酸（如FA(16:2)）、溶血磷脂（如LPI (16:0)）等脂質成分高度富集（圖4d）。

通路分析顯示，衰老導致嘧啶代謝、嘌呤代謝、維生素B6代謝和初級膽汁酸生物合成通路顯著下調（圖4c），而鞘脂代謝、D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代謝、組氨酸代謝、氨基酰-tRNA生物合成通路顯著上調（圖4e）。在HSPCs中，年輕與老年樣本間鑒定出754種差異代謝物（圖4f）：年輕HSPCs富集鳥苷、尿苷、視黃酸等，與自我更新和低氧化應激狀態相關；老年HSPCs則富集棕櫚酸、植物鞘氨醇等，伴隨嘧啶代謝、視黃醇代謝和花生四烯酸代謝通路下調（圖4g-h）。

這些結果表明，衰老伴隨血細胞代謝組的廣泛重編程，為理解衰老相關代謝疾病（如脂肪肝、動脈粥樣硬化）與造血功能衰退的關聯提供了新線索。

5、尿苷治療使衰老的HSCs恢復活力

為了尋找能夠恢復衰老造血干細胞功能的代謝物，研究人員基于代謝組檢測數據，通過無血清培養系統篩選出17種年輕HSPCs中上調的代謝物作為候選，包括鳥苷、尿苷、癸酸、視黃酸等。體外實驗顯示，尿苷和鳥苷顯著增加衰老HSPCs(Lin-Sca1+c-Kit+，LSK)的比例和絕對數量，尤其是長期造血干細胞(LT-HSCs)（圖5b-e）。進一步濃度梯度實驗確定，尿苷的最佳作用濃度為200 μM，可抑制對稱分化，促進不對稱自我更新，并維持細胞處于靜息態（G0期）（圖5h,k-l）。值得注意的是，鳥苷處理會增加細胞內活性氧水平，而尿苷處理無此效應，凸顯了尿苷的安全性優勢。

在體內移植實驗中，尿苷處理的衰老HSPCs表現出多維度功能改善：

（1）初次移植：干細胞頻率提升3.1倍，供體來源HSPC在受體骨髓中的頻率和絕對數量顯著增加（圖6b-e）；

（2）二次移植：尿苷處理的衰老HSPCs仍能維持較高的干細胞頻率和供體來源HSPC數量，證明其長期重建造血能力的持續性（圖6f-i）；

（3）純化LT-HSCs移植：尿苷處理的衰老LT-HSCs可有效重建受體小鼠的B細胞、T細胞和髓系細胞，逆轉衰老相關的髓系偏斜（圖6j-k）；

口服尿苷的體內驗證顯示，老年小鼠連續8周飲用含尿苷的飲用水后：

（1）骨髓中CLPs的絕對數量顯著增加（圖6m）；

（2）衰老HSPC的克隆形成能力（甲基纖維素集落實驗）提升（圖6n）；

（3）移植后供體來源細胞的多系重建比例接近年輕對照組，且年輕小鼠補充尿苷無明顯影響（圖6o-p）。

綜上所述，尿苷在體外和體內均能顯著恢復衰老HSPCs的自我更新能力和植入能力，為抗衰老治療提供了潛在的新策略。

6、尿苷增強自我更新和抑制炎癥

研究人員通過批量細胞RNA測序分析了尿苷處理的衰老HSPCs的轉錄變化（圖7a），發現尿苷處理的HSPCs在轉錄模式上與年輕HSPCs更為相似（圖7b）。功能富集分析顯示，尿苷處理上調了與初級代謝調控、炎癥反應負調控、FoxO信號通路和DNA修復相關的基因（圖7c）。FoxO信號通路在維持HSC靜止、保護免受DNA損傷和調節細胞周期中發揮重要作用。免疫熒光染色和γ-H2AX染色結果表明，尿苷處理的HSPCs表現出更高的FoxO家族轉錄因子表達水平和更低的DNA損傷指標（圖7d-f）。此外，與HSC自我更新相關的基因（如Gata2、Hoxa9、Fosb和Id1）在尿苷處理的HSPCs中顯著上調（圖7g），而炎癥相關基因（如IL-1、IL-6、IL-12和TNF）則顯著下調（圖7i-k）。在老年小鼠中，口服尿苷還降低了全身炎癥水平，包括TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-5（圖7l）。這些結果表明，尿苷通過上調FoxO信號通路、增強DNA修復能力和抑制炎癥反應，恢復了衰老HSPCs的功能，顯示出其在抗衰老和治療衰老相關造血疾病中的潛力。

本研究通過代謝組學技術構建了年輕和老年小鼠血細胞的代謝圖譜，發現年輕造血干祖細胞富集嘌呤、嘧啶和視黃醇代謝，而老年HSPCs中谷氨酸和鞘脂代謝顯著活躍。通過篩選和驗證發現，尿苷可通過上調FoxO信號通路、增強DNA修復能力并抑制炎癥反應（如下調IL-1β、TNF-α等炎癥因子），顯著恢復衰老造血干細胞的自我更新能力，改善其移植重建效率。研究還構建了開源平臺MetaB，為血細胞代謝數據的公共分析提供資源。本研究系統揭示了造血系統衰老的代謝特征，為抗衰老代謝物篩選及衰老相關血液病治療提供了新方向。