脾脏代偿机制缓解ATPIF1敲除小鼠骨髓终末红细胞发育障碍以改善贫血

《Frontiers in Cell and Developmental Biology》：Splenic compensation alleviates impaired-development of bone marrow terminal erythroid to attenuate anemia in ATPIF1 knockout mice

本研究揭示ATPIF1（ATPase Inhibitory Factor 1）缺失通过破坏骨髓红细胞线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）和三羧酸循环（TCA cycle）代谢稳态，导致终末红细胞分化障碍；脾脏通过代谢重编程（上调糖酵解和戊糖磷酸途径）和增强细胞增殖实现代偿性红细胞生成，为线粒体相关贫血提供了新的治疗靶点。

　　

ATPIF1缺失损害骨髓终末红细胞发育

ATPIF1敲除小鼠外周血红细胞（RBC）、血红蛋白（HGB）和红细胞压积（HCT）显著降低，而平均血红蛋白量（MCH）无变化。骨髓宏观表现为苍白，单细胞悬液中红细胞数量减少。流式细胞术分析显示骨髓Ter119⁺细胞比例和数量显著降低，红细胞发育各阶段（幼红细胞、网织红细胞和成熟红细胞）分布异常。FerroOrange荧光检测发现骨髓Ter119⁺细胞和网织红细胞内二价铁（Fe²⁺）含量升高，但血红素水平下降，表明血红素合成障碍与线粒体功能异常相关。

脾肿大和代偿性红细胞生成

ATPIF1敲除小鼠出现显著脾肿大但体重稳定。与骨髓相反，脾脏Ter119⁺细胞群体扩增，幼红细胞和网织红细胞比例及数量增加。脾脏Ter119⁺细胞和幼红细胞内Fe²⁺含量升高，同时血红素水平上升，表明脾脏成功实现了铁代谢重编程和血红素合成补偿。

ATPIF1缺失破坏体内红细胞终末分化

骨髓CD45^?细胞转录组分析发现862个基因上调和338个基因下调。代谢组学显示2-羟基丁酸积累破坏NADH/NAD⁺平衡，二羟基丙酮磷酸（DHAP）升高反映糖酵解失调，肌苷积累和胞苷耗竭表明嘌呤/嘧啶代谢受损。2-羟基戊二酸（2-HG）增加提示还原性TCA循环活性，衣康酸水平下降抑制琥珀酸脱氢酶（SDH）。三羧酸循环和氧化磷酸化通路下调，ATP/ADP比率降低，导致能量短缺。基因集富集分析（GSEA）显示DNA复制和tRNA生物合成通路下调。BrdU掺入实验证实Ter119⁺细胞增殖能力下降。

ATPIF1缺失破坏线粒体稳态并促进幼红细胞凋亡

骨髓红细胞线粒体含量（MitoTracker Green荧光）和活性氧（ROS）水平均下降，细胞凋亡率（Annexin V/PI染色）显著升高。这些变化表明ATPIF1缺失通过抑制氧化代谢和破坏线粒体稳态，触发红细胞前体凋亡。

ATPIF1敲除促进脾脏代偿性红细胞发育

脾脏CD45^?细胞转录组显示细胞周期和DNA复制通路上调。与骨髓不同，脾脏红细胞线粒体含量维持正常，ROS水平显著升高，凋亡率下降。代谢分析显示糖酵解和氨基酸合成通路富集，戊糖磷酸途径（PPP）中D-景天庚酮糖-7-磷酸增加提示NADPH生成增强。二羟基丙酮磷酸和甘油-3-磷酸积累表明甘油合成通路上调。ATP/ADP、乳酸/丙酮酸和苹果酸/草酰乙酸比率升高证实还原应激状态。细胞增殖对生物分子和能量的需求激增可能平衡还原应激造成的损伤。

讨论

本研究揭示了哺乳动物红细胞生成中"组织区室化代谢适应"现象。脾脏通过代谢重编程（糖酵解/PPP上调）和特异性激活血红素合成基因（Fech和Hmbs），将还原应激转化为增殖动力，成功替代骨髓功能。这一发现挑战了传统观点：ATPIF1在红细胞生成中的作用在脊椎动物中保守，以及脾脏不能替代骨髓红细胞生成程序。还原应激作为背景依赖性调节因子，在骨髓中导致能量危机和血红素合成障碍，在脾脏中则通过代谢重构促进代偿。研究重新定义了ATPIF1作为"代谢检查点"而非线粒体绝对必需因子的角色，为线粒体相关贫血治疗（如靶向PPP或糖酵解通路）提供了新方向。脾脏微环境（基质细胞、巨噬细胞等）可能通过细胞因子分泌和铁回收功能支持这一代偿过程，未来需通过共培养实验进一步验证。