大多數細胞的生長和增殖都依賴于細胞自主合成的天冬氨酸。天冬氨酸的合成和消耗是由兩種可逆反應控制的——其合成是線上粒體中由谷氨酸和草酰乙酸通過谷氨酸-草酰乙酸轉氨酶2（GOT2）實作的，而其進入細胞質後則被谷氨酸-草酰乙酸轉氨酶1（GOT1）所消耗。電子傳遞鍊可以通過促進三羧酸（TCA）循環中草酰乙酸的生成促進天冬氨酸的合成，研究發現在電子傳遞鍊功能缺失的情況下，外源性天冬氨酸的加入可以拯救癌細胞的增殖，而向細胞中補充核苷或天冬酰胺也可部分消除這種限制【1-3】。
研究已證明電子傳遞鍊最重要的功能之一是促進天冬氨酸合成，而天冬氨酸可被細胞用于合成蛋白質、其他氨基酸（精氨酸、天冬酰胺、谷氨酸和N-乙酰天冬氨酸）和核苷酸（嘌呤和嘧啶），此外，天冬氨酸也可促進TCA。天冬氨酸的合成不僅對于癌細胞的增殖非常重要，一些增殖正常的細胞也受到其限制，包括T細胞和肺内皮細胞。而天冬氨酸-谷氨酸載體1（将天冬氨酸從線粒體運輸到細胞質）是少突膠質細胞祖細胞增殖所必需的。此外，研究發現幹細胞（包括造血幹細胞HSC）的功能通常需要電子傳遞鍊的活性，但并非總是如此，線粒體功能似乎在不同幹細胞中有着複雜的效應。一些幹細胞表達谷氨酸/天冬氨酸轉運體GLAST（Slc1a3），包括神經幹細胞，使它們能夠吸收細胞外天冬氨酸。蘋果酸脫氫酶1 (蘋果酸-天冬氨酸穿梭酶的一個組成部分)的敲低降低了輻照小鼠胎兒肝HSC的重組能力。那麼我們不禁要問：天冬氨酸水準是否會限制正常幹細胞的功能呢？
2021年8月26日，來自美國德克薩斯大學西南醫學中心的Sean J. Morrison團隊在Cell Stem Cell線上發表題為 Aspartate availability limits hematopoietic stem cell function during hematopoietic regeneration 的文章，證明造血幹細胞（HSC）完全依賴于細胞自主合成的天冬氨酸，HSC的功能受到天冬氨酸可用性的限制。在再生過程中，HSC可以增加天冬氨酸的合成，進而通過增加天冬酰胺和嘌呤的合成促進HSC的功能。
本文研究人員發現，與HSC和多能祖細胞（MPP）表達的内皮蛋白C受體（Epcr，也稱為PRORC）相反，在HSC或其他骨髓造血祖細胞（HPC）中幾乎檢測不到天冬氨酸轉運體[Slc1a1、Slc1a2、Slc1a3（Glast）、Slc1a6和Slc1a7]的表達。是以，研究人員首先建構了GLAST過表達（GLAST-OE）的小鼠模型，在促進HSC自我更新的條件下培養野生型或GLAST-OE的HSC 7天，并補充生理水準的13C标記的天冬氨酸，以觀察造血細胞對天冬氨酸的吸收。結果發現野生型HSC/HPC幾乎無法吸收天冬氨酸，但是GLAST的過表達賦予了它們這種能力，并且造血細胞中GLAST的過表達優先增加了HSC/MPP中的天冬氨酸水準以及骨髓中HSC的數量，同時增加了HSC在造血再生過程中的功能。與此同時，研究人員建構了造血細胞條件性敲除Got1的小鼠模型，實驗結果顯示雖然造血幹細胞、MPP、HPC、限制性祖細胞、分化細胞和集落形成祖細胞的數量沒有顯著差異，但是在造血再生過程中，Got1的缺乏增加了天冬氨酸水準和造血幹細胞功能。此外，研究還發現天冬氨酸的合成在HSC激活時增加，與靜息HSC相比，天冬氨酸的合成在快速分裂的髓系祖細胞中增加，提示在HSC/HPC中天冬氨酸合成速率随合成代謝需求而變化。随後，研究人員又建構了條件性敲除Got2的小鼠模型，發現與GLAST過表達和Got1缺失相反，在造血再生過程中，Got2的缺乏降低了天冬氨酸水準和造血幹細胞功能。由此表明在造血再生過程中，天冬氨酸水準限制了造血幹細胞的功能。
利用GLAST過表達的HSC，同位素追蹤實驗發現，在靜息或增殖的HSC中，天冬氨酸水準對蛋白質合成沒有影響，但是外源性天冬氨酸可以促進TCA循環或用于合成核苷酸和天冬酰胺。同時，Got1的缺乏顯著降低了TCA循環中間産物中的天冬氨酸部分的富集，提示Got1的缺乏減少了從天冬氨酸進入TCA循環的碳。然而研究人員發現，天冬氨酸對TCA循環的影響并不會增加HSC的數量或功能。同樣的，實驗結果顯示GLAST也并沒有通過增加嘧啶或N-乙酰天冬氨酸（NAA）的合成來促進HSC功能。那麼天冬氨酸到底是如何影響HSC功能的呢？通過建構天冬酰胺合成酶缺失小鼠模型，研究人員發現移植後，天冬酰胺合成酶的缺失顯著降低了受體小鼠血液中供體骨髓細胞、B細胞和T細胞以及骨髓中幹細胞/祖細胞的水準，也減少了二次移植時GLAST過表達細胞的重塑，由此表明天冬酰胺的合成有助于提高GLAST過表達造血幹細胞的功能。在造血再生過程中，天冬酰胺的水準限制了HSC的功能，天冬酰胺的合成或攝取外源性天冬酰胺可以使之增強。與此類似的，對移植了對照或GLAST過表達骨髓細胞的輻照小鼠給予6-巯基嘌呤（6MP，嘌呤合成抑制劑），與對照相比，6MP顯著降低了受者血液和骨髓中GLAST過表達骨髓細胞産生供體細胞的頻率，由此表明嘌呤的合成也參與了GLAST過表達對HSC功能的影響。而且在造血再生過程中，除了GLAST過度表達的HSC外，嘌呤合成也可促進野生型HSC的功能。
綜上所述，本研究發現，HSC激活後，天冬氨酸合成增加，并且在造血再生過程中，天冬氨酸水準限制了HSC的功能，而HSC則可在造血再生過程中增加天冬氨酸、天冬酰胺和嘌呤的合成，以滿足增加的合成代謝需求。
原位連結：
https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.07.011
參考文獻
1. Birsoy, K., Wang, T., Chen, W.W., et al. (2015). An Essential Role of the Mitochondrial Electron Transport Chain in Cell Proliferation Is to Enable Aspartate Synthesis. Cell 162, 540–551.
2. Sullivan, L.B., Luengo, A., Danai, L.V., et al. (2018). Aspartate is an endogenous metabolic limitation for tumour growth. Nat. Cell Biol. 20, 782–788.
3. Krall, A.S., Mullen, P.J., Surjono, F., et al. (2021). Asparagine couples mitochondrial respiration to ATF4 activity and tumor growth. Cell Metab. 33, 1013–1026.e6.