1月2日，國際學術期刊Cell Metabolism在線發(fā)表了中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心周波研究組、華東師范大學萬晶晶教授和上海交通大學錢昆教授的合作研究成果：“Deciphering the metabolic heterogeneity of hematopoietic stem cells with single-cell resolution”。該工作從頭搭建了一套結合抗體染色、預固定、流式分選、自動化樣品處理以及基質輔助的激光解吸電離質譜技術的高通量單細胞代謝組分析平臺（high-throughput single-cell metabolomics, hi-scMet），能夠從單細胞中檢測到超過100個代謝物。基于此技術，該工作成功繪制了造血譜系全細胞代謝組圖譜，揭示了造血干細胞擴增過程中的代謝轉變，也證明了磷酸戊糖途徑在造血干細胞激活中的作用。

　　造血干細胞（hematopoietic stem cell）是一類非常稀少的干細胞，能夠通過自我更新及多系分化建立起完整且成熟的血液系統(tǒng)。在發(fā)育的不同階段，造血干細胞的代謝狀態(tài)也發(fā)生了巨大的變化。為了滿足造血需求，造血干細胞會在胚胎時期快速增殖分裂，小鼠出生后，造血需求逐漸降低，造血干細胞會暫停分裂，進入長期靜息狀態(tài)。得益于質譜技術的發(fā)展，造血干細胞代謝相關研究越來越豐富，已經(jīng)有不少研究人員利用液相質譜（liquid chromatography–mass spectrometry）技術證明了數(shù)種代謝物及其通路能夠直接參與造血干細胞功能調(diào)控。然而，造血干細胞并非是一個均勻的整體，傳統(tǒng)的液相質譜技術難以用于細胞的異質性分析，在檢測通量上也有著明顯的局限性，因此如何高通量地在單細胞水平解析造血干細胞的代謝組將是下一個挑戰(zhàn)。

　　周波研究組分離了成體小鼠骨髓中的12種血系細胞，共計1428個細胞進行了單細胞代謝組分析，利用hi-scMet技術平臺繪制了整個造血譜系的單細胞代謝組圖譜，此外，團隊引入了TetO-H2B-GFP；R26^rtTA小鼠模型，將造血干細胞分為4個自我更新能力不同的亞群。結果證明，造血干細胞亞群的代謝水平呈現(xiàn)出趨勢性變化，自我更新能力越強的造血干細胞越偏向于維持在低代謝活性狀態(tài)，其中33個代謝物出現(xiàn)了顯著性的趨勢性變化。在這之中，有不少物質參與糖代謝，例如葡萄糖、乳酸、蘋果酸與6-磷酸葡糖酸（6PG）等。

　　為了確定6PG所在的磷酸戊糖途徑是否能在體內(nèi)調(diào)控造血干細胞的功能，周波研究組設計并引入了6PG合成酶基因敲除小鼠Pgls^+/-以及磷酸戊糖途徑抑制劑6-AN。結果發(fā)現(xiàn)， Pgls基因敲除的造血干細胞在長期移植重建時表現(xiàn)出更弱的血液系統(tǒng)重建能力；6-AN注射也會顯著抑制造血干細胞及祖細胞的重建過程。這證明基因敲除或藥物抑制磷酸戊糖途徑都會導致造血干細胞的自我更新能力受損。

　　總之，該項研究成功建立了基于流式分選的單細胞代謝組分析平臺，彌補了過去代謝組分析在靈敏度、通量、細胞完整性與靶向性不能俱全的問題，成功繪制了造血譜系全細胞代謝組圖譜，證明了造血干細胞處于更低的代謝活性，發(fā)現(xiàn)了磷酸戊糖途徑能調(diào)控造血干細胞的自我更新能力。

　　上海交通大學曹敬博士生、分子細胞卓越中心姚頎博士生和上海交通大學吳嬌博士生為該論文的共同第一作者。分子細胞卓越中心周波研究員為該論文的責任通訊作者，華東師范大學萬晶晶教授和上海交通大學錢昆教授為該論文的共同通訊作者。該項工作得到了中國科學院、基金委、科技部等項目的資助以及分子細胞卓越中心動物實驗技術平臺和細胞分析技術平臺的幫助與支持。

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.12.005

高通量單細胞代謝組解析平臺示意圖