人类造血干细胞对铁死亡的易感性

Human hematopoietic stem cell vulnerability to ferroptosis.

作者信息Jiawei Zhao, Yuemeng Jia, Dilnar Mahmut, Amy A Deik, Sarah Jeanfavre, Clary B Clish, Vijay G Sankaran
PMID36803603
期刊Cell
发布时间2023-02-16
DOI10.1016/j.cell.2023.01.020

实验完整度

高

人CD34+造血干祖细胞CRISPR编辑、scRNA-seq、核糖体测序、脂质组学、电镜及NBSGW小鼠异种移植体内验证

主要模型

人脐带血及动员外周血CD34+造血干/祖细胞 NBSGW免疫缺陷Kit突变小鼠异种移植模型 MOLM13细胞系(铁死亡/凋亡阳性对照)

重点核对

MYSM1编辑效率>90%,编辑后3天蛋白显著降低 NBSGW小鼠移植1×10^5细胞,4个月检测植入及编辑效率 Liproxstatin-1 20 mg/kg腹腔注射隔日一次共12周,对照3% DMSO 铁死亡抑制剂DFO、Fer-1各10 μM和1 μM、维生素E 10 μM、mitoTempo 1 μM处理 OP-puro流式检测CD34+CD45RA−CD90+细胞翻译速率

摘要

Hematopoietic stem cells (HSCs) have a number of unique physiologic adaptations that enable lifelong maintenance of blood cell production, including a highly regulated rate of protein synthesis. Yet, the precise vulnerabilities that arise from such adaptations have not been fully characterized. Here, inspired by a bone marrow failure disorder due to the loss of the histone deubiquitinase MYSM1, characterized by selectively disadvantaged HSCs, we show how reduced protein synthesis in HSCs results in increased ferroptosis. HSC maintenance can be fully rescued by blocking ferroptosis, despite no alteration in protein synthesis rates. Importantly, this selective vulnerability to ferroptosis not only underlies HSC loss in MYSM1 deficiency but also characterizes a broader liability of human HSCs. Increasing protein synthesis rates via MYSM1 overexpression makes HSCs less susceptible to ferroptosis, more broadly illustrating the selective vulnerabilities that arise in somatic stem cell populations as a result of physiologic adaptations.

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
MYSM1双等位功能缺失导致骨髓衰竭中,人类造血干细胞丢失的分子机制及其所揭示的造血干细胞选择性易感性是什么。
核心机制
MYSM1缺失降低核糖体蛋白基因转录和整体蛋白翻译速率,并优先降低铁死亡保护性mRNA(如GPX4、SLC7A11、FTH1)的翻译效率,导致铁蓄积、ROS和脂质过氧化升高,从而经铁死亡导致HSC丢失。
主要证据
CRISPR-Cas9编辑人CD34+ HSPC并结合scRNA-seq、OP-puro翻译检测、核糖体测序、脂质组学、电镜及NBSGW小鼠异种移植;铁死亡抑制剂在体外和体内均可挽救LT-/ST-HSC丢失,而mitoTempo不能挽救。
研究意义
揭示低蛋白合成速率使人类HSC对铁死亡易感,为MYSM1缺陷、范可尼贫血等骨髓衰竭及体外HSC操作中的HSC维持提供机制依据和潜在干预方向。

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

CRISPR编辑MYSM1并验证HSC丢失表型

建立忠实模拟患者MYSM1功能缺失的人HSC模型并确认HSC维持缺陷。

用Cas9 RNP和两条独立MYSM1 gRNA编辑CD34+ HSPC,检测编辑效率、蛋白水平、LT-/ST-HSC比例及HSC分子签名;并将编辑后脐血CD34+ HSPC移植NBSGW小鼠评估植入。

2

检测MYSM1缺失对翻译的影响

验证MYSM1缺失是否降低HSC核糖体生物合成和蛋白翻译速率。

对CD34+CD45RA−CD90+细胞行scRNA-seq、GSEA、Western blot检测核糖体蛋白,并用OP-puro流式检测翻译速率;通过慢病毒回补MYSM1 WT及患者突变体验证特异性。

3

评估铁死亡相关表型

确定MYSM1缺失HSC是否发生氧化应激、铁代谢紊乱和脂质过氧化。

用CellROX检测ROS、BODIPY C11检测脂质过氧化、铁比色法和Fe2+ biotracker检测铁、hemin比色法检测血红素、GPX4活性试剂盒检测GPX4活性,并行电镜观察线粒体形态。

4

脂质组学分析

刻画MYSM1缺失HSC中脂质过氧化相关脂质谱改变。

分选CD90+CD133+ HSC富集组分与CD90−非HSC组分,用LC-MS进行脂质组学分析。

5

铁死亡抑制剂体外与体内挽救

验证铁死亡是否为MYSM1缺失导致HSC丢失的直接原因。

体外用DFO、Fer-1、维生素E和mitoTempo处理MYSM1编辑细胞,检测HSC比例、ROS、脂质过氧化和翻译速率;体内用liproxstatin-1处理移植小鼠。

6

核糖体测序与5'UTR基序验证

无偏解析MYSM1缺失后翻译效率改变及5'UTR基序对翻译的影响。

对编辑细胞行ribo-seq并分析翻译效率、GSEA和5'UTR基序;构建含优势或劣势基序的体外转录mRNA并导入MYSM1缺陷CD34+ HSPC检测翻译。

7

健康HSC及范可尼贫血模型的铁死亡易感性验证

检验铁死亡易感性是否为人类HSC的普遍特征并扩展至其他HSC丢失疾病。

用erastin、FIN56、FINO2、RSL3及GPX4编辑诱导铁死亡,检测HSC比例、ROS和脂质过氧化;编辑FANCA或FANCD2并用低剂量mitomycin C处理,检测Fer-1挽救效果。

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
抗MYSM1抗体Abcamab-221725
RPS24多克隆抗体ProteinTech14831-1-AP
RPS7多克隆抗体ProteinTech14491-1-AP
铁死亡抗体检测试剂盒Cell signaling Technology29650
Brilliant Violet 421抗人CD34抗体BD Biosciences562577
PE小鼠抗人CD66b抗体BD biosciences561650
PE小鼠抗人CD33抗体BD biosciences555450
PE小鼠抗人CD19抗体BD biosciences555413
RPL15多克隆抗体Proteintech16086-1-AP
RPL23多克隆抗体Proteintech10727-1-AP
PE-Cy7抗CD90抗体BD biosciences561558
APC-H7小鼠抗人CD45RA抗体BD biosciences560674
坏死性凋亡抗体检测试剂盒Cell signaling Technology98110T
凋亡抗体检测试剂盒Cell signaling Technology9915T
hnRNP-E1多克隆抗体proteintech14523-1-AP
PCBP2多克隆抗体proteintech15070-1-AP
SLC40A1/FPN1多克隆抗体proteintech26601-1-AP
GCLM多克隆抗体proteintech14241-1-AP
GCLC多克隆抗体proteintech12601-1-AP
FITC膜联蛋白VBiolegend640906
ALAS1多克隆抗体proteintech16200-1-AP
HSP27多克隆抗体proteintech18284-1-AP
RELB多克隆抗体proteintech25027-1-AP
Ferroportin/SLC40A1抗体(无BSA)Novus BiologicalsNBP1-21502SS
BB700小鼠抗人CD133抗体BD biosciences747638
PE大鼠抗人EPCR抗体Biolegend351904
PE抗人CD34抗体Biolegend343506
PE抗人CD3抗体Biolegend317308
PE抗人CD11b抗体Biolegend301306
小鼠单克隆抗FLAG M2抗体Sigma AldrichF1804
人全转铁蛋白Sigma AldrichT0665
潮霉素BGibco10687010
ErastinSelleckS7242
FIN56SelleckS8254
FINO2Cayman Chemical25096
甲磺酸去铁胺SelleckS5742
Ferrostatin-1SelleckS7243
BODIPY 581/591 C11InvitrogenD3861
CellROX绿色试剂InvitrogenC10444
MitoTEMPO(水合物)Cayman Chemical16621
N-乙酰-L-半胱氨酸Cayman Chemical20261
(±)-α-生育酚乙酸酯Cayman Chemical28399
线性聚乙烯亚胺转染级(PEI 25K)PolySciences23966-100
Ambion RNase IInvitrogenAM2294
GlycoBlue共沉淀剂InvitrogenAM9515
超低范围DNA分子量标准Invitrogen10597012
SYBR Gold核酸凝胶染料InvitrogenS11494
RSL3SelleckS8155
CC100细胞因子混合物StemCell Technologies2690
BioTracker远红可溶性Fe2+染料Millipore SigmaSCT037
SM-164Cell Signaling Technology56003S
Z-VAD-FMKSelleckS7023
重组人TNF-αPeprotech300-01A
七水合硫酸亚铁Sigma AldrichF7002-250G
Liproxstatin-1Cayman Chemical17730
星形孢菌素Cayman chemical81590
甲醇Sigma Aldrich179337
RPMI1640培养基Life Technologies11875-119
Opti-MEM培养基Gibco31985-062
Ficoll-Paque Premium无菌溶液GE Healthcare17-5442-02
0.25%胰蛋白酶Gibco15050-057
印迹脱脂奶粉BioRad1706404XTU
重组Cas9蛋白IDT1081061
青霉素-链霉素Life Technologies15140-122
重组人血小板生成素Peprotech300-18-100UG
甲酰胺Sigma AldrichF7503
TBE缓冲液Thermo ScientificB52
膜联蛋白V结合缓冲液Biolegend422201
L-谷氨酰胺GIBCO25-030-081
无RNase SSC溶液InvitrogenAM9763
高糖DMEM培养基Life Technologies11965-118
谷胱甘肽过氧化物酶检测试剂盒Cayman Chemical703102
蛋白合成检测试剂盒Cayman Chemical601100
血红素比色检测试剂盒BioVisionK672
铁比色检测试剂盒BioVisionK390
Kapa文库定量试剂盒Roche7960140001
mMESSAGE mMACHINE T7转录试剂盒InvitrogenAM1344
MEGAclear转录纯化试剂盒InvitrogenAM1908
Poly(A)加尾试剂盒InvitrogenAM1350
Alt-R Cas9电转增强剂IDT1075916
通用miRNA克隆接头New England BiolabsS1315S
In-Fusion HD克隆试剂盒Takara/Clontech638909
Q5定点突变试剂盒New England BiolabsE0554S
iScript cDNA合成试剂盒BioRad1708891
Monarch DNA凝胶回收试剂盒New England BiolabsT1020L
iQ SYBR Green预混液BioRad1708882
P3原代细胞4D核转染试剂盒SLonzaV4XP-3032
SuperScript III逆转录酶Invitrogen18080044
Chromium Next GEM单细胞3'试剂盒v3.110XGenomicsPN-1000268
Chromium Next GEM芯片G单细胞试剂盒10XGenomicsPN-1000120
双索引试剂盒TT Set A10XGenomicsPN-1000215
CircLigase单链DNA连接酶LucigenCL4111K
截短型T4 RNA连接酶2New England BiolabsM0242L
StemSpan SFEM II培养基StemCell Technologies09655
胎牛血清Bio-TechneS11550
SUPERase•In RNase抑制剂InvitrogenAM2694
EasySep人脐血CD34阳性选择试剂盒IIStemCell Technologies17896
Immobilon-P PVDF膜Millipore SigmaIPVH00010
SPRIselect磁珠Beckman CoulterB23317
Qubit 1X dsDNA高灵敏度检测试剂盒ThermoFisherQ33231
Zero Blunt TOPO PCR克隆测序试剂盒Invitrogen450031

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
MYSM1 CRISPR编辑与HSC表型
sgRNA序列、Cas9/sgRNA用量、核转染程序、编辑效率检测时间点及LT-/ST-HSC门控
阅读提示:Methods中CRISPR/Cas9 RNP nucleofection及图1B、图S1