内质网稳态的维持是细胞行使正常功能的必要条件之一。在病理或生理条件下，蛋白错误折叠导致内质网稳态被打破，细胞内产生一系列内质网应激（ER stress response），或称非折叠蛋白响应（unfolded protein response, UPR）。PERK、ATF6、IRE1a 是内质网应激反应的主要组成部分。这些信号传导通路通过降低蛋白合成速度，以及增强蛋白降解和折叠等应激变化来保护细胞。当应激反应的持续时间过长、或应激反应的过强， UPR激活细胞凋亡机制来清除无法修复的细胞。细胞在生理条件下依赖这些蛋白质量调控机制纠正或清除蛋白合成及折叠中不可避免的错误。同时细胞对许多生理或病理刺激的响应，例如感染、氧损伤、营养失控等也伴随内质网稳态的失调从而激活UPR反应。多种组织、细胞类型中UPR的研究表明这些通路广泛参与细胞存活、分化等细胞过程的调控。一般认为，蛋白高合成的细胞类型，例如beta cell、B cell、等需要严格的蛋白质量控制，因此对UPR 的缺失更为敏感【1】。
2014年Sean Morrison组在Nature发文证明小鼠造血干细胞是造血系统中蛋白合成最少的细胞类型【2】。令人意外的是同年John Dick 组在Nature的发表的研究【3】指出，相比于造血前体细胞，UPR相关基因在人造血干细胞中尤为富集。同时人造血干细胞对内质网胁迫诱导物tunicamycin或thapsigargin介导的细胞凋亡更为敏感。过表达UPR下游靶标蛋白伴侣Erdj4或抑制UPR ”促凋亡”支路PERK-eIF2a能增强人造血干细胞的体外克隆形成、迁移和造血重建能力。提示UPR 是造血干细胞的重要调控信号通路。但是，该文章同时表明在本底条件下造血干细胞已经表现为PERK-eIF2a高激活。因此，造血干细胞是如何平衡PERK-eIF2a的UPR ”促凋亡”效应？白血病干细胞以及前体白血病干细胞是如何适应内质网胁迫？白血病干细胞以及前体白血病干细胞是否存在内质网应激条件下的生存优势？是造血干细胞研究领域需要解决的重要问题。
2019年2月19日，美国密歇根大学李清团队在Nature Cell Biology杂志上发表了标题为Adaptive endoplasmicreticulum stress signaling via IRE1α–XBP1 preserves self-renewal of haematopoieticand pre-leukaemic stem cells的长文【4】。该研究以小鼠造血干细胞以及前体白血病干细胞NrasG12D敲入模型【5】为研究对象深入探讨了UPR“促存活”支路IRE1a-xbp1在造血干细胞/白血病前体干细胞调控中的重要作用。
首先，不同于John Dick 组的体外实验结果，PERK-eIF2a在体内的激活并没有导致细胞凋亡。其次利用多种技术手段包括体内炎症胁迫（LPS）或体外蛋白折叠胁迫（tunicamycin or thapsigargin）条件下，研究者发现“促存活”支路IRE1a-xbp1在造血干细胞内被显著激活。IRE1a-xbp1信号的激活与细胞存活密切相关。敲除IRE1a抑制骨髓细胞造血重建的能力。提示IRE1a-xbp1是造血干细胞内质网存活下的重要调控通路。IRE1a-xbp1激活细胞内应激反应来保护造血干细胞的正常功能。
接下来，研究者进一步发现，在长期聚焦的前体白血病干细胞(pre-leukemicstem cells)NrasG12D敲入模型中，前体白血病干细胞对内质网胁迫导致的凋亡非常不敏感。近年来的研究表明前体白血病干细胞（如Runx1 KO）【6】可能采用降低核糖体生物合成从而促进细胞周期静息的方式抵抗内质网胁迫。研究者进一步证实，静息状态条件下的造血干细胞对内质网胁迫具有明显的抗性。此外，结合实验室先前发现表明，NrasG12D敲入前体白血病干细胞具有同时促进细胞增殖和细胞静息的独特的细胞周期“双重效应”【7】，于是研究者推测NrasG12D敲入前体白血病干细胞可能通过亚细胞群的超强抵抗力进而使得NrasG12D前体白血病干细胞表现为内质网胁迫抗性。出乎意料的是NrasG12D前体白血病干细胞的快速增殖亚群和静息亚群都表现出内质网胁迫抗性。同时研究者证实，该抗性NrasG12D前体白血病干细胞通过激活ERK-GSK3b实现的。值得注意的时FLT3-ITD, Tet2 KO等其他类型的白血病干细胞并没有表现出与NrasG12D相同的抗胁迫特性，提示不同遗传背景的白血病干细胞可用采用不同的策略以在内质网胁迫中存活。
进一步，研究者发现NrasG12D前体白血病干细胞表现为IRE1a-xbp1信号的高度激活，这种激活晚期内质网胁迫导致的凋亡命运决定时更为明显。NrasG12D挟持IRE1a-xbp1信号不仅促进内质网胁迫条件下的存活， 而且调控前体白血病干细胞的扩增及自身增殖。利用IRE1a敲除、IRE1a抑制剂、或抑制IRE1a下游信号Xbp1s等多种手段进一步证明，IRE1a在NrasG12D前体白血病干细胞的克隆扩增中发挥重要作用。这些实验结果指出IRE1a-xbp1下游调控癌症干细胞因子，同时也是蛋白伴侣DNAJB8，来促进NrasG12D前体白血病干细胞的内质网胁迫抗性。
本研究发现了造血干细胞新的调控机制， 并提供了解释白血病干细胞克隆增殖的一种新的机制。靶向该机制可能用与清除白血病干细胞的策略之一。
据悉，该文章通讯作者为美国密歇根大学李清教授，第一作者为李清教授实验室博士后刘禄。
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