铁蛋白介导的线粒体铁稳态对造血干细胞和白血病干细胞的存活至关重要

Ferritin-mediated mitochondrial iron homeostasis is essential for the survival of hematopoietic stem cells and leukemic stem cells

作者信息Weiwei Yi, Jinhua Zhang, Yingxin Huang, Qiang Zhan, Mi Zou, Xiang Cheng, Xuguang Zhang, Zhinan Yin, Si Tao, Hui Cheng, Fudi Wang, Jun Guo, Zhenyu Ju, Zhiyang Chen
PMID38402368
期刊Leukemia
发布时间2024-05
DOI10.1038/s41375-024-02169-y

实验完整度

包含基因敲除小鼠模型、竞争性移植、体外培养、RNA-seq、线粒体功能检测、AML小鼠模型及患者数据分析等多层次验证,并涉及功能与机制验证。

主要模型

Fth1fl/fl;Mx-Cre小鼠(诱导性敲除) Fth1fl/fl;Vav-Cre小鼠(胚胎期敲除) MLL-AF9诱导的小鼠AML模型 小鼠HSPCs(LSKs、HSCs)和LSCs(L-GMPs)

重点核对

Fth1敲除诱导方式:poly(I:C)注射剂量25μg/g体重,隔天一次,共六次 竞争性移植实验:供体BM细胞(CD45.2)与竞争细胞(CD45.1/2)1:1混合,移植入致死辐照(10 Gy)受体 铁螯合剂DFO处理浓度:LSKs 50μM,L-GMPs 10-20μM 细胞活力检测时间点:DFO处理后24或40小时 凋亡检测:Annexin V染色或活性caspase-3检测

摘要

铁代谢在细胞活力中起着关键作用,但其与成体干细胞和癌症干细胞的关系尚未完全了解。负责细胞内铁储存的铁蛋白复合物在此过程中很重要。我们报道,在造血系统中条件性删除铁蛋白重链1(Fth1)会减少造血干细胞(HSCs)的数量和再增殖能力。这些效应与细胞铁水平降低有关,导致线粒体功能受损和凋亡启动。补铁、抗氧化剂和凋亡抑制剂可逆转Fth1缺失的造血干细胞和祖细胞(HSPCs)的细胞活力降低。重要的是,来源于MLL-AF9诱导的急性髓性白血病(AML)小鼠的白血病干细胞(LSCs)表现出降低的Fth1表达,使其相比正常HSPCs对铁螯合诱导的凋亡更敏感。使用单甲基富马酸调节FTH1表达可增加LSCs对铁螯合剂诱导凋亡的抵抗力。此外,补铁、抗氧化剂和凋亡抑制剂保护LSCs免受铁螯合剂诱导的细胞死亡。Fth1缺失也延长了AML小鼠的生存期。这些发现揭示了铁蛋白介导的铁稳态调节HSCs和LSCs存活的新机制,提示了针对铁失调的血癌的潜在治疗策略。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
铁蛋白介导的铁代谢如何影响造血干细胞和白血病干细胞的维持和存活?
核心机制
Fth1缺失导致细胞内铁水平降低,进而降低线粒体铁水平,损害线粒体功能(复合物I活性下降、线粒体ROS升高、钙超载、mPTP开放),激活线粒体依赖性凋亡,从而损害HSC和LSC的维持。
主要证据
通过Fth1条件敲除小鼠模型、竞争性移植实验、RNA-seq、线粒体功能检测(RPA、mitoSOX、Rhod-2、mPTP)、凋亡检测(caspase-3、Annexin V)以及MLL-AF9 AML小鼠模型,证明Fth1缺失导致HSC和LSC凋亡增加、功能受损,而补铁、抗氧化剂(NAC)和凋亡抑制剂(Q-VD)可逆转细胞死亡。
研究意义
该研究揭示铁蛋白介导的铁稳态是维持HSC和LSC存活的关键机制,提示铁螯合剂(如DFO)在低剂量下选择性靶向LSC的潜在治疗策略,为铁失调相关的血液肿瘤提供了新的治疗思路。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

建立Fth1条件敲除小鼠模型

研究Fth1在造血系统中的作用

将Fth1flox/flox小鼠与Mx1-Cre或Vav-Cre小鼠杂交,通过poly(I:C)注射诱导Fth1缺失,验证敲除效率。

2

评估Fth1缺失对造血功能和HSC维持的影响

确定Fth1缺失是否影响HSC数量和功能

通过外周血细胞计数、流式细胞术分析HSPC和HSC数量,以及CFU集落形成实验和竞争性移植实验检测HSC功能。

3

检测Fth1缺失对铁代谢和线粒体功能的影响

探究Fth1缺失导致HSC功能障碍的机制

使用Calcein AM检测细胞内铁水平,RPA检测线粒体铁水平,mitoSOX检测线粒体ROS,Rhod-2检测钙水平,CAAM/CoCl2检测mPTP,以及电子显微镜观察线粒体形态。

4

验证凋亡通路和ROS的作用

确定Fth1缺失是否通过凋亡和/或铁死亡导致HSC死亡

使用铁死亡抑制剂(Fer-1、Lip1)和凋亡抑制剂(Q-VD)处理,检测细胞活力和凋亡标志物;通过RNA-seq分析凋亡相关基因表达。

5

在MLL-AF9 AML模型中评估Fth1缺失对白血病发展的影响

探究Fth1在白血病干细胞中的作用

用MLL-AF9逆转录病毒感染Fth1fl/fl;Mx-Cre+/-小鼠的c-Kit+ BM细胞,移植后诱导Fth1缺失,监测白血病进展和生存期。

6

评估LSC对铁限制的敏感性

确定LSC是否因FTH1低表达而对铁螯合诱导凋亡更敏感

用不同浓度DFO处理LSKs、GMPs和L-GMPs,检测细胞活力、线粒体铁水平和凋亡;使用MMF、NAC、FAC、Q-VD等处理观察对细胞死亡的影响。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
聚肌胞苷酸SigmaP1530
IMDM培养基GibcoEH80228
胎牛血清ExCellFSP500
小鼠干细胞因子PEPROTECH250-03
小鼠白细胞介素-3PEPROTECH213-13
小鼠白细胞介素-6PEPROTECH216-16
青霉素/链霉素MacklinQ6532
聚凝胺BeyotimeC0351
Lipofectamine 2000转染试剂Invitrogen11668-019
甲基纤维素Stemcell Technologies03434
红细胞裂解液BD Bioscience555899
DAPI染料Sigma-AldrichMBD0015
FACSAria III流式细胞分选仪BD Bioscience--
FACSfortessa流式细胞分析仪BD Bioscience--
SFEM培养基STEMCELL Technologies09650
血小板生成素PEPROTECH315-14
F12培养基Thermo FisherC11330500BT
BIT血清替代物STEMCELL Technologies09500
去铁胺----
N-乙酰半胱氨酸SigmaA7250
Ferrostatin-1SelleckS7243
柠檬酸铁铵SigmaF5879
Q-VD(泛caspase抑制剂)----
异柠檬酸MacklinD811779
PIK-IIITargetMolT7944
单甲基富马酸Sigma651419-1g
Annexin V凋亡检测试剂盒BD559763
活性Caspase 3 Alexa 647检测试剂盒BD560626
Cytofix/Cytoperm固定和透化溶液试剂盒BD554714
Ki67-FITC抗体Biolegend151204
钙黄绿素AMInvitrogenC3099
RPA染料SQUARIXME043
盐酸维拉帕米Sigma-AldrichV4629
小鼠铁比色检测试剂盒ElabscienceE-BC-K772-M
Liperfluo探针DOJINDOL248
BODIPY 665/676探针InvitrogenB3932
Qproteome线粒体分离试剂盒QIAGEN37612
线粒体复合物I活性比色测定试剂盒BiovisionK968-100
MitoSox Green探针InvitrogenM36006
Mitotracker Green探针InvitrogenM22426
Rhod-2, AM探针InvitrogenR1244
抗Fth1抗体CST3998S
抗磷酸化P65抗体CST3033T
β-肌动蛋白兔多克隆抗体AbclonalAC006
IRDye 680RD羊抗兔二抗LI-COR926-68071
Odyssey CLx成像系统LI-COR--
miRNeasy微型试剂盒Qiagen217084
PrimeScript RT预混液TakaraRR036A
HiScript III RT预混液VazymeR323-01
小鼠细胞因子芯片C3试剂盒RaybiotechAAM-CYT-3-2
NEBNext Ultra RNA文库制备试剂盒NEB--
TruSeq PE簇生成试剂盒Illumina--
Illumina HiSeq测序平台Illumina--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
Fth1敲除诱导
poly(I:C)注射剂量和次数
阅读提示:Methods - Mice
竞争性移植实验
供体、竞争细胞比例,受体辐照剂量
阅读提示:Methods - Transplantation and homing assay
细胞培养和处理
DFO、NAC、FAC、Q-VD等处理浓度和时间
阅读提示:Methods - Cell culture and in vitro treatments
线粒体功能检测
RPA、mitoSOX等染料浓度和孵育时间
阅读提示:Methods - Iron level detection, Mito-ROS detection
凋亡检测
Annexin V和caspase-3检测步骤和试剂
阅读提示:Methods - Cell cycle and apoptosis assay
AML模型建立
MLL-AF9病毒包装和感染条件,移植细胞数
阅读提示:Methods - Establishment of AML mouse models