摘要
造血干细胞(HSCs)支持终生的血液生成，但在衰老过程中会发生显著变化。衰老导致HSC的再生能力逐渐下降，并改变髓系和淋巴系的比例。代谢重塑不仅被视为HSC衰老的结果，也被认为是导致HSC功能年龄相关变化的积极因素。静止的HSC具有低代谢活性，与其高度增殖的后代形成对比。在再生过程中，剧烈的代谢重塑使HSC退出静止状态并增殖，以维持紧急造血需求。衰老过程中代谢活性发生漂移。糖酵解、线粒体活性和溶酶体功能的变化共同导致造血系统的逐渐衰退。在这篇综述中，我们重点讨论HSC的代谢需求、它们如何控制静止和增殖，以及代谢漂移如何促进HSC衰老。
关键词： 造血干细胞；HSC衰老；代谢重塑；线粒体代谢；干细胞静止；氧化磷酸化；脂肪酸氧化；骨髓微环境；应激造血；线粒体质量控制
引言
衰老与慢性疾病相关，这是由于组织完整性逐渐丧失。在造血系统中，衰老导致适应性免疫系统退化，但髓系细胞过度产生，造成贫血、免疫缺陷和慢性炎症状态。衰老增加了克隆性造血（即携带获得性突变的单个HSC克隆扩增）、髓系增殖性疾病和造血系统肿瘤的发病率。衰老源于造血干细胞(HSC)功能的逐渐衰退。
HSC是稀有细胞，存在于成年哺乳动物的骨髓中。它们的功能特征是能够重建生物体的全部血液成分。同时，HSC可以自我更新，以在整个生命周期中维持功能性HSC池。由于成熟血细胞寿命短，HSC需要进行分裂，以持续产生多系祖细胞和承诺的单系前体。这些分裂最终导致所有谱系细胞的持续生成，形成血液的不同成分，但也导致HSC功能衰退和可塑性丧失。
在压力下，某些细胞因子包括干扰素α、干扰素γ和粒细胞集落刺激因子(G-CSF)会触发HSC退出静止状态，以满足失血或感染等紧急情况下的增加需求。这些特性随着衰老而发生显著改变，衰老的HSC会积累细胞损伤，损害细胞功能。大量文献报道，老年HSC（18-24个月大）在表型和功能上均受损。老年HSC在老年小鼠骨髓中数量增加，但其再生活性低，并倾向于产生更多髓系细胞，而淋巴系谱系减少。
代谢活性已成为HSC功能的关键调节因子，控制HSC的静止和激活进入细胞周期。退出静止状态和随后的分化与代谢重塑相结合，以满足需求。已知HSC依赖于无氧糖酵解，并表现出低代谢和生物合成活性，以长期维持静止状态，并免受氧化应激的影响。另一方面，更高的线粒体活性通常在HSC向分化承诺及其直接后代中观察到。它们表现出更高的代谢活性和增加的氧化磷酸化，以在需要时快速进入细胞周期，以满足造血需求。代谢程序受到严格调控以满足细胞需求。随着衰老，代谢调控逐渐衰退，现在已经明确，它不是衰老的结果，而是衰老的决定因素。本综述旨在总结我们对HSC功能代谢调控的最新理解，了解年龄相关的代谢失调以及它如何驱动衰老功能衰退。
HSC静止与代谢检查点
低氧微环境与糖酵解
HSC自我更新和分化受其所在骨髓微环境（或"生态位"）的调控。该微环境控制氧气和营养物质的获取，并提供信号线索，可以改变代谢状态，影响HSC是保持静止还是被激活。微环境组成、细胞因子和炎症信号的变化可以改变静止和激活之间的平衡，并可能导致HSC功能的长期丧失。
微环境是异质性的，包含不同氧水平的动脉周围和窦状周围区域。HSC存在于低氧张力微环境中，称为"低氧生态位"。在低氧环境中，静止的HSC依赖于无氧糖酵解而不是线粒体氧化磷酸化，以满足其能量需求并维持其功能。HSC通过严格控制的低氧相关程序（Hif1a）维持细胞内低氧状态，这使得HSC能够使用无氧糖酵解并绕过线粒体呼吸。
有充分证据表明，维持无氧糖酵解对于维持HSC静止至关重要。当HIF1A或丙酮酸脱氢酶（Pdk2和4）被耗尽时，HSC表现出增加的线粒体代谢，失去静止状态，最终功能耗尽。这种糖酵解表型也受转录因子MEIS1的调控，该因子维持HSC的代谢表型和抗氧化防御。
尽管葡萄糖是静止HSC的重要营养物质，但必须对其进行控制。事实上，增强的糖酵解促进HSC循环。研究表明，最深层静止的HSC对其生存和功能的糖酵解依赖性低于增殖后代。这很重要，因为它表明维持静止HSC的代谢程序更为复杂。最深层的静止状态似乎与受限制的代谢程序相关，而不仅仅是糖酵解。这表明增强的糖酵解标志着更接近激活的启动状态，而深层静止则依赖于严格的营养控制。
其他营养物质也与HSC静止相关，如维生素A-视黄酸信号。视黄酸(RA)诱导的信号在休眠的标记保留HSC中高度富集。有趣的是，在视黄酸信号激动剂全反式视黄酸(ATRA)存在下，HSC明显更加静止，新生蛋白质合成和线粒体活性更低。后续研究表明，视黄酸信号通过其下游产物4-氧代-RA在细胞色素P450家族26亚家族B成员1（Cyp26b1）的控制下调控HSC静止，Cyp26b1在HSC中高度丰富。
抗坏血酸（维生素C）是另一种在HSC和祖细胞中高度富集的维生素，尽管这可能会限制HSC功能。该通路的确切生理重要性及其如何与其他HSC代谢活动整合仍有待研究。
限制线粒体输出对维持HSC静止至关重要
虽然糖酵解程序塑造了HSC的稳态代谢状态，但HSC含有高线粒体含量，必须限制线粒体活性以保持长期干细胞功能。
使用在线粒体上表达Dendra2荧光的线粒体报告小鼠的研究表明，HSC可分为mito-Dendra2^Low^和mito-Dendra2^High^亚群，分别代表线粒体含量低和高的HSC。有趣的是，mito-Dendra2^High^ HSC比mito-Dendra2^Low^ HSC表现出更深的静止状态，但在移植研究中具有更高的再生能力。尽管具有高线粒体含量，HSC中的线粒体活性却降低了。
多项研究现已表明，HSC的长期再植活性存在于表型定义的HSC的TMRE低分数组中，代表线粒体膜电位较低的HSC。这在人类中也是保守的，在人类中，最具效力的人类HSC富集于具有最低膜电位的线粒体。
限制线粒体功能很重要，因为增加的线粒体活性会提高活性氧(ROS)水平，对HSC功能产生负面影响。先前的研究表明，过量的ROS激活压力通路，如p38^MAPK^，并限制HSC寿命，表明氧化还原平衡对于维持自我更新能力至关重要。
在稳态下，这通过保持线粒体生物发生和氧化代谢受限制的机制来防止。Chen等人的研究表明，TSC-mTOR通路通过限制线粒体生物发生和ROS产生来维持HSC静止和功能，这种控制的丧失使HSC退出静止状态并快速循环。
同时，FOXO依赖的抗氧化程序保护HSC免受生理氧化应激，并维持其长期功能。一致地，HSC具有丰富的溶酶体，但降解活性低，限制溶酶体活性维持HSC静止和效力。这些发现共同表明，限制线粒体输出不仅仅是降低能量生产的一种方式，而是稳态检查点的关键部分，该检查点限制氧化损伤，保持静止，并保护HSC池的长期完整性。
线粒体在HSC中并非完全静止
有趣的是，线粒体代谢对于维持HSC功能仍然很重要。线粒体中的脂肪酸氧化(FAO)对于维持HSC功能很重要。脂肪酸(FA)通过线粒体肉碱棕榈酰转移酶I（Cpt1a）转移到线粒体中，在那里它们被分解成乙酰-CoA，称为β-氧化。FAO产生的乙酰-CoA可以为三羧酸(TCA)循环提供能量，或在细胞质中用于新生脂质合成。
FAO在HSC中活跃，并且高于更分化的骨髓细胞。HSC可以依赖FAO来维持其静止和自我更新活性。FAO在HSC中如何使用仍不清楚，其他代谢途径也可能很重要。一些研究但并非全部发现，Cpt1a的缺失改变了移植研究中HSC的再生潜力。
HSC静止与线粒体质量控制
线粒体质量控制对于维持HSC功能很重要。线粒体具有高周转率并且高度动态。与其他细胞一样，HSC需要严格的线粒体质量控制机制，包括自噬和线粒体自噬以去除受损的细胞器，以及融合/分裂循环以重塑线粒体网络。
Atg7自噬调节因子的缺失导致HSC中线粒体积累，伴随更高的ROS水平、增加的HSC增殖和正常HSC功能的丧失。此外，成年HSC中Atg12的缺失损害了自我更新并导致髓系偏向输出。自噬缺陷的HSC积累了拉长和融合的线粒体，具有更高的线粒体膜电位、增加的氧化代谢、更高的ROS、增加的蛋白质合成和更多的循环活性。这些变化与老年HSC的特征非常相似，表明自噬不仅需要用于细胞器周转，还需要保持HSC代谢受限并随时间推移维持干性。
有趣的是，Chua等人使用自噬报告模型表明，HSC再植活性存在于具有高自噬活性的HSC部分中，这可能与HSC中高溶酶体含量一致。线粒体网络的组织是可塑的，并随HSC亚型而变化。
淋巴系偏向的HSC表达比髓系偏向HSC更高水平的融合调节因子Mfn2，并且它们的线粒体形状更加拉长。有趣的是，MFN2通过控制线粒体与内质网的连接以增强细胞内钙缓冲来维持淋巴系偏向HSC的静止。
总之，稳态HSC静止由支持糖酵解、限制线粒体呼吸和ROS并保护长期干细胞完整性的活性代谢程序支持。稳态HSC在代谢上受限制，但仍保持足够的线粒体适应性以保持功能。
衰老HSC与代谢活性漂移
衰老HSC中的线粒体功能
衰老HSC伴随着其线粒体状态的明显变化。衰老HSC具有更高的线粒体质量但比年轻HSC更低的线粒体膜电位。线粒体网络更加球形和碎片化，并且往往被极化。有趣的是，并非所有衰老HSC都有线粒体缺陷。
像年轻HSC一样，衰老HSC可以根据其线粒体质量和膜电位状态分为功能不同的HSC群体。与年轻HSC一样，再植活性存在于具有最高线粒体质量的衰老HSC亚群中。再植活性也存在于保留线粒体电位的衰老HSC亚群中，类似于年轻HSC。该衰老HSC亚群保留了更多年轻HSC的转录特征，具有更平衡的谱系程序。
线粒体膜电位降低的衰老HSC表现出更典型的衰老表型，具有降低的适应性和髓系偏向，表明线粒体膜电位的丧失是功能缺陷的原因，但线粒体积累有助于维持HSC功能。这导致了代谢漂移。衰老HSC具有更高的OXPHOS活性。衰老HSC的糖酵解较低，并且比年轻HSC更依赖于FAO，可能是由于慢性炎症环境。
炎症似乎通过Socs3介导的AKT/FOXO依赖性信号抑制来损害衰老HSC中的葡萄糖摄取和抑制糖酵解。Morrison团队最近的一项研究表明，长链FAO在衰老过程中变得必要。同一研究还表明，高脂饮食增加FAO并降低HSC功能，表明增加的FAO并不总是有益的。
衰老与线粒体质量控制机制的丧失
衰老HSC由于线粒体质量控制缺陷（包括自噬和线粒体自噬减少）而积累功能失调的线粒体和代谢活性。衰老HSC由于Sirt7表达降低而减少线粒体未折叠蛋白反应，导致线粒体活性增加。
溶酶体功能障碍也是衰老HSC的主要特征。衰老HSC比年轻HSC具有更少但更酸性的溶酶体。溶酶体也受损并且异常激活。溶酶体功能障碍导致线粒体DNA处理受损，导致DNA感应机制cGAS-STING的激活增加，以及随后的干扰素信号，进一步支持衰老HSC失去细胞器质量控制、线粒体稳态和应激信号之间的紧密协调。
抑制溶酶体超活化足以恢复溶酶体完整性以及代谢和表观遗传稳态。这表明在年轻HSC中，线粒体活性和细胞器质量保持在严格的范围内。在老年HSC中，这种平衡变得改变，这影响了静止、再生能力和谱系输出。
代谢韧性
尽管积累异常线粒体并具有更高的ROS水平，但最近的研究表明，衰老HSC通过改变代谢依赖性而存活并获得代谢韧性。Watanuki等人(2024)表明，老年HSC以一种帮助它们在压力下存活的方式进行代谢重编程。
他们表明，在稳态下，衰老HSC激活戊糖磷酸途径，使它们对氧化应激更具抵抗力，并且对糖酵解ATP生产的依赖性降低。在代谢压力下，衰老HSC还可以通过增强复合物II代谢快速增加线粒体ATP生产。这种反应取决于SDHAF1的增加，SDHAF1是琥珀酸脱氢酶组装所需的因子。
该程序由骨髓环境中生理低浓度的血小板生成素暴露支持。这表明一些衰老HSC不仅可能表现出代谢衰退，而且可能能够激活赋予生存优势的适应性途径，尽管总体功能衰退。
一致地，衰老HSC的一个亚群倾向于维持正常功能，特别是通过将自噬维持为对慢性炎症的适应性细胞保护反应。因此，衰老HSC在具有异常线粒体的情况下存活，但适应并转移代谢依赖性。
急性应激造血
急性应激造血指的是当造血系统受到挑战时，血液细胞生产的需求数量增加。感染、炎症、失血、细胞毒性损伤或其他组织损伤等事件可被视为此类挑战。
在这种情况下，HSC和祖细胞被迫脱离稳态行为，以增加增殖和分化，以便血液系统能够快速恢复免疫和造血功能。急性应激造血迫使HSC退出静止状态，这需要高度协调的代谢重塑以满足能量和生物量需求。
急性应激与退出静止状态
HSC激活伴随着代谢重塑。多项研究表明，激活的HSC迅速获得更高的线粒体膜电位、增加的OXPHOS和钙信号，这对于细胞周期进展是必要的。
增加的糖酵解在HSC激活过程中也很重要，糖酵解基因表达增加。循环启动的HSC很容易依赖糖酵解。最近的一项研究表明，在增殖压力下，HSC通过糖酵解限速酶PFKFB3迅速增加无氧糖酵解。
当OXPHOS被抑制时，HSC也增加PFK的活性以维持细胞的ATP生产需求。这种反应直接需要支持应激造血。因此，早期应激激活不仅仅是向线粒体氧化的转变，糖酵解在激活的早期阶段也起着核心作用。
线粒体活性仍然支持HSC增殖和恢复。Ito等人表明，Tie2^+^ HSC（一种最小异质性小鼠HSC群体）的自我更新扩增依赖于过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)，即脂肪酸氧化通路，通过增强线粒体上的Parkin招募。
这是线粒体清除和脂肪酸氧化与增殖条件下干细胞维持之间的连接纽带。线粒体呼吸似乎也很重要。ETC蛋白的表达增加，形成完全功能的线粒体呼吸系统。
线粒体呼吸的缺陷，通过缺失线粒体复合物III亚基Rieske铁硫蛋白(RISP)或PTEN样线粒体磷酸酶(Ptpmt1)，导致HSC静止减少，导致骨髓衰竭。我们刚刚报告了支链氨基酸(BCAA)分解代谢在HSC激活过程中维持HSC自我更新的重要性。
具有最高再植潜力的HSC通过BCAA转氨酶Bcat2表现出高BCAA分解代谢活性，以控制细胞周期长度和自我更新。当BCAA分解代谢被抑制且BCAA用于合成反应时，HSC再生潜力下降。
这需要高度动态的线粒体网络。我们之前表明，线粒体网络的组织在激活的HSC中每几分钟就会变化一次，依赖于线粒体分裂调节因子Drp1；这对于HSC的完全再生潜力是必需的。
其他代谢途径对于满足增殖细胞构建生物量的需求很重要，包括蛋白质、脂质和核苷酸。例如，p38丝裂原活化蛋白激酶活性在HSC激活期间增加，并促进肌苷-5-单磷酸脱氢酶2（Impdh2，鸟苷单磷酸(GMP)合成的限速酶）和鸟苷单磷酸合酶（Gmps，对HSPC循环必需）的表达。
线粒体中的谷氨酸-草酰乙酸转氨酶2（Got2）进行的天冬氨酸代谢对于HSC增殖期间的TCA循环以进行核苷酸合成也很重要。在5-FU给药后的早期阶段，ATP柠檬酸裂解酶（Acly）在HSC中增加，同时葡萄糖摄取增加和细胞内谷氨酸水平升高。
脂肪酸去饱和酶2（Fads2），催化脂肪酸去饱和的限速步骤，对于在骨髓消融化疗后再生造血系统至关重要。HSC还需要严格控制胆固醇代谢。具有高胆固醇含量的HSC往往具有更高的再生功能。
在急性感染期间，Mistry等人(2021)表明，HSC增加CD36依赖性游离脂肪酸摄取，并转向FAO以支持HSC激活和紧急造血。这些通路如何完全整合尚不清楚，但将很重要进行研究。
返回静止状态——一种主动的代谢重置
一旦HSC经历应激驱动的增殖，它们需要以受控方式削减激活状态，以避免耗尽。Baumgartner等人的研究表明，ERK依赖性反馈机制有助于调节HSC在紧急造血期间的适应性。
它通过限制过度的AKT/mTORC1信号传导来支持重新进入静止状态。这一想法也得到了Pietras等人的进一步支持，他们表明重新进入静止状态可以保护HSC免受慢性I型干扰素暴露的破坏性影响。这突显了静止本身在从应激中恢复期间起到保护作用。
从代谢角度来看，返回静止状态需要远离糖酵解准备的启动状态，并恢复受限的细胞器稳态。线粒体支持和质量控制似乎对于HSC从应激中恢复很重要。一项研究表明，过氧化物酶体增殖物激活-γ共激活因子-1α(PGC-1α)对于在应激条件下造血恢复很重要。
PGC-1α是HSC中线粒体生物发生的主要调节因子。然而，它在基础条件下效果较小，这表明当系统超出稳态需求时，线粒体容量的重要性。另一项工作还表明，FOXO3A在体外细胞因子撤出和体内热量限制后启动HSC中的保护性自噬程序。
它还帮助它们耐受代谢应激并缓解能量危机，允许它们存活。线粒体自噬可能需要通过线粒体清除，尽管尚未直接证明。最近的一项研究表明，核受体共激活因子2（Ncoa2）通过Foxo3a依赖性线粒体自噬促进HSC在骨髓照射后返回静止状态。
这些研究共同表明，在急性应激造血过程中，线粒体生物发生、线粒体自噬和自噬有助于维持恢复并保护HSC功能免受持续应激。
然而，返回静止状态不足以完全维持HSC功能。HSC功能随分裂历史而下降。通过累积分裂和随后的代谢漂移导致的线粒体质量控制丧失可能有助于衰老表型。我们最近表明，具有分裂历史的HSC不再将BCAA分解为中间代谢物，相反，BCAA亮氨酸保持丰富并促进mTOR激活用于核苷酸合成；因此，细胞周期加速。
骨髓微环境信号与HSC代谢衰老
与HSC相关的年龄相关变化不仅限于细胞内在因素，也是骨髓微环境变化的结果。在稳态条件下，微环境控制氧气可用性、营养获取和局部信号，影响HSC是保持静止还是被激活。
CXCL12和SCF/KITL等关键微环境因子有助于支持HSC在骨髓中的保留，处于低激活状态。在应激期间，这种支持发生变化。微环境输入发生转变，在衰老过程中，微环境质量下降，可能导致类似慢性应激的信号。
衰老HSC对细胞因子的反应不同。Young等人(2021)表明，HSC衰老的标志在中年时期开始出现，这是由于骨髓微环境中局部胰岛素样生长因子1(IGF-1)减少。IGF-1输入减少是HSC衰老表型和线粒体功能降低的原因之一，可以通过直接IGF-1刺激恢复。
慢性炎症改变了衰老HSC的代谢活性。其他成分也下降。血管形成血管减少，间质和骨内膜炎症信号增加，这可以使HSC保持在持续的应激状态，防止它们返回稳态。重复的微环境线索可以推动本应是短暂的代谢电路。累积分裂也是衰老的原因。
衰老与线粒体应激管理检查点的失败：治疗机会
NAD^+^是一种中心代谢辅因子，NAD^+^依赖性检查点是一个系统，将细胞NAD^+^状态与线粒体激活、应激处理和HSC命运联系起来。在年轻HSC中，这个检查点有助于以受控方式支持激活，允许线粒体代谢在需要时增加。
研究表明，CD38通过驱动线粒体Ca^2+^流入和线粒体代谢促进年轻小鼠中HSC的增殖。然而，衰老期间CD38的异常上调破坏了NAD^+^代谢并损害了线粒体应激管理。结果，衰老HSC中的线粒体激活不再由适当的应激控制介导，这可能导致功能稳定性丧失。
另一项研究表明，Sirt3表达在衰老HSC中被抑制，恢复Sirt3改善了它们的再生能力。SIRT3是一种在HSC中丰富的哺乳动物去乙酰化酶，它调节应激反应。它介导线粒体蛋白的全局乙酰化景观并减少氧化应激。
这一想法也得到了使用NAD^+^增强策略的研究的支持。烟酰胺核糖的治疗通过增加线粒体清除来改善造血功能。在衰老HSC中，NAD^+^通过减少线粒体应激、线粒体质量和线粒体网络大小来恢复更年轻的代谢状态。
一致地，尿石素A（一种刺激线粒体自噬的肠道代谢物）可以逆转HSC衰老表型，增加淋巴系潜力和衰老HSC的再生潜力，随后改善衰老小鼠对病毒感染的免疫反应。最后，药理激活伴侣介导的自噬减少了细胞内ROS，增加了糖酵解，并恢复了衰老HSC的长期植入潜力。
这些发现共同表明，衰老不仅与更多的线粒体活性相关，还与控制不良的线粒体激活和较弱的应激管理检查点相关。
结论
HSC功能在稳态、急性应激、衰老和疾病中不能定义为糖酵解和氧化磷酸化之间的简单切换。
在稳态下，HSC通过包括糖酵解偏向、受限的线粒体活性、低ROS和活性细胞器质量控制的协调代谢检查点保持静止。这也与骨髓微环境密切相关，其中局部因子、血管信号和氧水平有助于维持HSC支持和保留。
在急性应激造血过程中，这种平衡暂时转移以满足突然的再生需求。早期激活似乎强烈依赖于快速糖酵解适应；然而，持续恢复需要线粒体支持、线粒体质量控制和代谢灵活性。
更重要的是，返回静止是一种主动重置，其中增殖信号必须下调，并且必须恢复线粒体和溶酶体稳态。随着衰老，这种控制变得不太稳定。衰老HSC中的代谢漂移不是OXPHOS的简单增加，而是线粒体稳态的逐渐漂移。
这是由改变的应激管理辅助的，并减少了维持年轻HSC中看到的严格控制平衡的能力。同时，骨髓微环境中与年龄相关的变化进一步削弱了HSC支持。这可能会创造有利于具有更强代谢适应性的突变克隆扩增的条件。
这一想法在克隆性造血中变得更加清晰，因为突变的干细胞和祖细胞，以及后来白血病患者的白血病干细胞，被发现通过更强的线粒体适应性和代谢可塑性获益。这是一个需要进一步研究的重要研究领域。
伦理声明
伦理批准
"不适用"，适用于不涉及人类或动物的研究。
赫尔辛基宣言STROBE报告指南
"不适用"，适用于不涉及人类的研究。
补充材料
以下补充材料可在线获取，表S1：调节HSC功能的主要代谢途径摘要。
数据可用性
本研究未生成任何数据。
作者贡献
概念化，DS和MDF；写作—初稿准备，DS；写作—审查与编辑，DS和MDF；监督，MDF。
利益冲突
作者声明没有利益冲突。
资助
这项研究由美国国立卫生研究院资助，项目编号[HL167731]。
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