造血干细胞静息与休眠调控：再生与疾病的新视野

本综述系统探讨了造血干细胞（HSC）静息（quiescence）与休眠（dormancy）的分子机制及其在稳态和应激条件下的调控网络，深入解析了细胞周期调控、代谢重编程（如糖酵解和氧化磷酸化）、骨髓微环境信号（如SCF、TPO）以及维生素A代谢（如at-RA、4-oxo-RA）对HSC功能的影响，并关联其在感染、白血病、心肌梗死等疾病中的病理意义，为靶向HSC状态的再生医学策略提供理论依据。

　　

1. 造血干细胞与造血系统的层级结构

造血系统每天产生约3300亿个细胞，其中85%为造血来源，包括单核细胞、中性粒细胞、红细胞以及B、T细胞等。造血干细胞（HSC）位于造血层级顶端，具有长期自我更新和多向分化潜能。HSC通过不对称或对称分裂维持干细胞池，并分化为多能祖细胞（MPP），进而形成髓系和淋系祖细胞。传统造血模型呈阶梯式分化，而新模型支持连续分化轨迹，强调细胞命运获取的动态性和互联性。

HSC可分为长期HSC（LT-HSC）和短期HSC（ST-HSC）。LT-HSC处于细胞周期G₀期，依赖糖酵解，活性低，具有高基因组稳定性和长期重建能力；ST-HSC代谢活跃，依赖氧化磷酸化（OXPHOS），可快速响应造血需求。通过连续移植实验可评估HSC的自我更新能力，ST-HSC重建能力有限。

小鼠HSC鉴定历经多年发展，从Lin^? Sca-1⁺ c-Kit⁺（LSK）表型，到CD34、Flk2（CD135）以及SLAM家族标志（CD150、CD48）的应用，进一步区分LT-HSC和ST-HSC。其他标志物如Tie2、CD82、EPCR、CD63和GPRC5C也与HSC亚群相关。

MPP由HSC分化而来，自我更新能力减弱，逐渐丧失多能性。MPP1具有高生物合成活性，MPP5和MPP6是过渡阶段，MPP3偏向髓系分化，MPP4偏向淋系分化。应激状态下，HSC优先产生髓系偏斜MPP，甚至可直接生成红细胞和巨核细胞，快速适应需求。

2. 休眠HSC作为静息HSC的一个亚群

静息HSC（quiescent HSC）和休眠HSC（dormant HSC, dHSC）常被混用，但后者是更深层次的静息状态。dHSC分裂频率极低（小鼠寿命内仅约5次），占LT-HSC的15–30%，具有最强的长期重建能力。大多数HSC（70–85%）为活性HSC（aHSC），会随时间分裂，但二者均属静息状态。

dHSC可被外部刺激激活，如病毒感染（IFNα）、细菌感染（LPS、IFNγ）、细胞因子或大出血。激活伴随DNA复制、生物合成和活性氧（ROS）增加。单细胞RNA测序显示，dHSC通过连续上调生物合成过程（如翻译、转录和细胞周期程序）退出休眠，而非突然切换。一旦稳态恢复，激活的HSC可返回静息状态。

HSC激活可能耗竭，导致功能衰退和恶性转化风险增加。慢性炎症等驱动因素与干细胞耗竭、年龄相关功能下降和克隆性造血有关。

近期研究对HSC在应激造血中的贡献提出挑战。例如，在脓毒症应急髓系造血中，HSC并非必需，Flt3⁺ MPPs才是主要来源。严重造血衰竭（如全身照射）时，HSC贡献才显著。但心肌梗死（MI）等严重应激下，HSC被激活并贡献于炎症髓系细胞生成。

3. 鉴定HSC休眠与静息的方法

静息指可逆的细胞周期静止状态，生物合成和代谢活性低；休眠是更深层的静息，分裂极少。可通过长期标记保留（如SCL-tTA;H2B-GFP小鼠模型、BrdU标记）、Gprc5c-GFP报告小鼠等方法鉴定。

细胞周期分析使用DNA染料（如PI、DAPI、7AAD）和RNA染料（如pyronin Y）区分G₀和G₁期。Ki67在G₁、S、M、G₂期表达，G₀期不表达。

代谢特征上，静息HSC依赖糖酵解，ROS水平低。可用ROS敏感染料（如dihydroethidium、CellROX?、DCF-DA）和线粒体膜电位染料（如TMRM）评估。近期研究发现HSC线粒体膜电位最高，但ROS水平低。

转录组分析揭示了静息和休眠HSC的特异性签名，如dHSC签名、MolO（分子重叠群体）和NoMo（无分子重叠）签名。人类HSC也有类似签名，如LT-HSC和ST-HSC签名。

功能 assay 包括连续移植（评估自我更新）和CFU assay（评估祖细胞分化）。单细胞分裂 assay 可追踪HSC体外分裂。

4. 调控HSC休眠与静息的关键因子

HSC受内在因子和骨髓微环境外源信号调控。微环境因子启动信号通路，维持静息；细胞周期调控因子阻止增殖。

细胞周期由细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）和细胞周期蛋白控制。CDK与细胞周期蛋白结合，磷酸化Rb蛋白，释放E2F转录因子，促进G₁向S期过渡。细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂（CKI）如p57^Kip2和p21^Cip（Cip/Kip家族）抑制CDK2、CDK4、CDK6；INK4家族（如p16^INK4A、p15^INK4B、p18^INK4C）特异性抑制CDK4/6。p57^Kip2是稳态下HSC静息的主要介质，静息HSC具有低CDK6和高p57^Kip2水平。p21^Cip在应激响应中负调控HSC细胞周期活性。p27^Kip1可能是休眠标志物，但具体作用尚待研究。

骨髓微环境通过细胞因子和生长因子维持HSC静息。干细胞因子（SCF）结合c-Kit受体，激活PI3K/AKT和MAPK通路，促进存活和静息。Angiopoietin-1通过Tie2受体增强HSC与微环境粘附，维持休眠。血小板生成素（TPO）通过MPL受体激活JAK-STAT通路（特别是JAK2-STAT5），上调p57^Kip2，强化静息。TGFβ由巨核细胞和非髓鞘施万细胞分泌，激活SMAD信号，增加p57^Kip2表达，阻止细胞周期进程。

Netrin-1结合Neo-1受体，促进Egr1表达，降低Cdk6水平，维持静息。非经典Wnt信号（如Wnt5a）激活Frizzled和ROR2受体，支持细胞骨架组织和微环境粘附。

5. HSC静息与休眠的代谢调控

HSC依赖严格调控的代谢程序平衡静息、自我更新和分化。

5.1. 糖酵解与HSC静息的代谢控制

HSC天然位于低氧骨髓微环境，促进糖酵解作为主要能量来源，限制OXPHOS，降低ROS水平。丙酮酸脱氢酶激酶（Pdk）抑制丙酮酸脱氢酶（Pdh），阻断丙酮酸转化为乙酰辅酶A（acetyl-CoA），限制TCA循环通量和线粒体呼吸。删除Pdk2和Pdk4增强TCA循环和OXPHOS，降低HSC重建能力。乳酸脱氢酶A（Ldha）缺失破坏糖酵解平衡，转向线粒体活性，增加ROS，损害HSC静息和功能。

低氧稳定缺氧诱导因子1-α（Hif-1α），它是代谢主调控因子，激活糖酵解基因表达。删除Hif-1激活因子Meis1使HSC代谢转向线粒体活性，ROS升高，静息和重建能力丧失。大气氧暴露也增加ROS，损害HSC功能。

5.2. 脂肪酸氧化在HSC调控中的作用

脂肪酸氧化（FAO）将脂肪酸分解为乙酰辅酶A，提供能量和TCA循环中间体。FAO调节HSC自我更新和分化，贡献于氧化还原平衡（通过NADPH生产），并调控HSC命运决定（不对称与对称分裂）。肉碱棕榈酰转移酶1a（Cpt1a）是限速酶，其抑制促进HSC分化。过氧化物酶体增殖物激活受体δ（Pparδ）激活FAO，增强HSC功能，维持长期再生能力。删除Pparδ导致HSC重建能力丧失。PPAR-FAO轴通过增强线粒体质量控制（如Parkin招募促进线粒体自噬）促进HSC扩增。

5.3. HSC调控中的线粒体呼吸

线粒体呼吸涉及TCA循环、电子传递链（ETC）和OXPHOS，平衡HSC静息与激活。静息HSC中线粒体呼吸处于基础水平，激活后TCA通量增加，乙酰辅酶A水平升高，NADH和FADH₂增加，推动ETC和OXPHOS，ATP生产增加，但ROS水平升高。

为抵抗氧化应激，HSC在FoxO转录因子调控下上调ROS解毒酶。FoxO3缺失降低SOD2表达，导致ROS积累，破坏静息。其他抗氧化机制（如MGST1或NRF2）缺失也破坏HSC静息和分化。将葡萄糖代谢物转入磷酸戊糖途径可增强抗氧化能力。Sirtuin 2调控磷酸戊糖途径关键酶葡萄糖-6-磷酸脱氢酶，其表达降低（如衰老时）与线粒体应激和NLRP3炎症小体异常激活有关，贡献于老年HSC功能衰退。

线粒体质量控制机制（线粒体融合、分裂和自噬清除）对维持HSC干性至关重要。线粒体清除受损的HSC自我更新能力降低。

5.4. HSC代谢谱分析的未来展望

新遗传模型和组学技术增强了对HSC代谢的理解。低输入代谢组学方案可分析少量HSC（5,000–10,000个）的100多种代谢物，揭示静息HSC的独特代谢谱。未来应用这些工具研究白血病转化或生理衰老下的HSC代谢变化，将提供更深入见解，指导调控静息的治疗策略。

6. 代谢物介导的HSC静息调控：视黄酸信号的作用

代谢物主动调控HSC静息和干性。维生素B3降低骨髓移植毒性，维生素C通过改变DNA甲基化抑制白血病发生。维生素A缺乏破坏HSC静息和功能。全反式视黄酸（at-RA）可恢复HSC静息特征，包括细胞周期停滞、增殖减少、CDK6水平降低、自我更新增强、ROS产生抑制和蛋白质合成减少。

新近研究发现非经典视黄酸（RA）信号通路。Cyp26b1酶将at-RA转化为4-氧代视黄酸（4-oxo-RA），后者结合视黄酸受体β（RARβ）。在HSC中，Rarb2亚型被RA信号直接诱导。激活的RARβ启动转录程序，强化HSC干性特征。Cyp26b1和RARβ在dHSC中高度富集，表明Cyp26b1/4-oxo-RA/RARβ轴对维持HSC休眠至关重要。

7. HSC静息紊乱的病理学意义

许多炎症刺激（无菌和感染相关）及其调控机制已被广泛研究，但常未区分一般HSC静息和真正休眠dHSC。

病毒样poly I:C和细菌样LPS是HSC激活的典型刺激。poly I:C启动I型IFN信号（如IFNα），通过JAK-STAT和PKB/Akt通路触发HSC增殖，减少dHSC池。持续IFNα暴露可能导致HSC耗竭。IFNγ通过JAK-STAT信号破坏HSC静息，促进细胞周期进入。

LPS通过toll样受体4直接刺激HSC增殖。急性暴露支持造血需求，但持续或强烈暴露导致HSC耗竭。轻度或短暂刺激下，HSC可能重新进入静息状态。

传统认为HSC激活完全可逆，但新研究表明，在低度炎症下，只有增殖HSC亚群经历功能衰退，dHSC受保护。

8. 与HSC激活增加相关的疾病

多种疾病与HSC静息紊乱相关，常以慢性或急性炎症为特征，驱动HSC激活，损害再生能力，改变造血。

8.1. 慢性细菌感染

如结核病，通过IFNγ响应触发HSC激活，促进免疫细胞生产。失调的IFN信号随时间耗竭HSC池，损伤自我更新过程。Batf2是此过程关键介质，驱动HSC终末分化，导致耗竭。基线IFNγ水平在稳态下也调控HSC活性。

8.2. 脓毒症

以高炎症为特征，促炎细胞因子（如IL-1、TNFα、G-CSF）大量释放，快速激活造血祖细胞和HSC，导致耗竭和造血恢复受损。LPS通过toll样受体4直接感知，增加HSC周期，通过TRIF介导信号引发增殖应激。持续toll样受体4激活损害HSC重建能力。脓毒症中HSC稳态破坏，导致扩增但功能受损，重建缺陷和髓系分化失败，贡献于持续中性粒细胞减少。

8.3. 白血病

高度异质性疾病。髓系白血病发生可能源于FLT3、NPM1、MLL、TET2和DNMT3A等基因突变，破坏HSC静息，增强自我更新。这些突变产生前白血病HSC，抵抗正常分化，获得增殖潜力，最终转化为白血病干细胞（LSC）。LSC采用HSC特异性生存机制（如AMPK-FIS1介导的线粒体自噬）维持干性，并上调Bcl-2等生存基因，增强抗凋亡能力。

白血病转化也受微环境外源信号影响。造血特异性TET2敲除小鼠中，TET2缺失创建全身促炎环境（如IL-6分泌增加），驱动骨髓增生性肿瘤。靶向炎症通路可能通过预防HSC直接和间接激活缓解致癌进展。

8.4. 自身免疫性疾病

如系统性红斑狼疮，慢性炎症驱动HSC动员和髓系偏斜造血。狼疮HSC中Cdkn2c（编码p18^INK4C）突变，表达降低，增强自我更新和增殖优势，加剧造血失调。慢性肉芽肿病中，IL-1β信号驱动HSC周期增加和长期植入能力降低。

8.5. 衰老

与慢性低度炎症（inflammaging）相关，由骨髓微环境中衰老细胞驱动。衰老相关分泌表型（SASP）包括趋化因子、蛋白酶和促炎细胞因子（如IL-1α、IL-6、TNFα），可能直接作用于HSC相应受体，促进激活，导致髓系偏斜和HSC耗竭，最终引发贫血或免疫衰老。炎症细胞因子活性降低的小鼠（如IL37tg和α-抗胰蛋白酶转基因小鼠）部分恢复淋巴细胞生产，表明老年HSC表型部分与炎症相关。需进一步研究炎症对年龄相关HSC缺陷（DNA复制、细胞极性、骨髓微环境功能受损）的贡献。

8.6. 心肌梗死

急性缺血损伤引发应急造血和骨髓HSC激活。人心骨髓样本和Fgd5-CreERT2命运图谱小鼠模型显示，MI引发HSC有害转录和功能变化，包括干性相关基因签名下调、细胞周期进入增加和长期自我更新能力受损。谱系追踪显示，激活的HSC直接贡献于受伤心肌中浸润的炎症髓系细胞生成，损害恢复。治疗性强化HSC静息（使用维生素A代谢物4-oxo-RA）有效抑制过度髓系生成，保存HSC功能，表明靶向HSC激活作为改善MI后结果的策略潜力。

9. 展望

HSC活性，特别是其静息状态，代表造血过程治疗策略的关键途径。唤醒休眠机制可能增强再生能力（如严重失血或持续贫血），或破坏LSC持久性（常利用类似休眠程序生存）。相反，保护HSC静息在病理条件下至关重要。

然而，安全有效调控HSC状态仍具挑战。需开发靶向方法，选择性影响HSC，而不影响其他细胞群体，最小化脱靶效应，确保治疗精确性。未来研究应优先识别控制这些转换的分子靶点，并制定策略利用该知识改善造血健康和恢复力的干预措施。