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不確定潛能的克隆性造血（CHIP）涉及突變前白血病造血細胞的逐漸擴增，這種現象隨著年齡增長而增加并帶來多種疾病的風險，包括白血病和免疫相關疾病。雖然CHIP個體發生白血病轉化的絕對風險非常低，但進展的最強預測因子是突變造血細胞的積累。盡管已知CHIP與全因死亡率的增加相關，目前對這一過程在衰老過程中涉及的環境和調控因素的理解仍然非常初步。

基于此，2025年4月23日辛辛那提兒童醫院醫學中心Daniel T. Starczynowski研究團隊在nature雜志發表了“Microbial metabolite drives ageing-related clonal haematopoiesis via ALPK1”揭示了微生物代謝物通過ALPK1驅動與衰老相關的克隆性造血。

在此，作者展示了與年齡相關的腸道改變會導致一種微生物代謝物的全身性擴散，從而促進前白血病細胞的擴增。具體而言，ADP-D-甘油-β-D-甘露庚糖（ADP-庚糖），一種特定于革蘭氏陰性菌的生物合成副產物，在老年人的血液循環中被特異性發現，并促進前白血病細胞的擴增。ADP-庚糖還與CHIP中的炎癥增加和心血管風險升高相關。機制上，ADP-庚糖與其受體ALPK1結合，觸發轉錄重編程和NF-κB激活，使前白血病細胞因過度的克隆性增殖而獲得競爭優勢。總體而言，作者發現ADP-庚糖的積累代表了衰老與罕見前白血病細胞擴增之間的直接聯系，表明ADP-庚糖–ALPK1軸是一個有前景的治療靶點，可用于預防CHIP向顯性白血病和免疫相關疾病的進展。

圖一 腸道上皮損傷和微生物組改變促進HSC的擴增

在克隆性造血（CHIP）中，腸道上皮損傷和微生物組改變促進造血干細胞（HSC）的擴增。攜帶DNMT3A突變的前白血病細胞通常表現出緩慢生長，但在衰老過程中可以迅速擴增。衰老的一個標志是腸道穩態的破壞，表現為腸道通透性增加和微生物群失調。由于截短或失活突變導致的DNMT3A表達或功能喪失會導致老年人和小鼠中HSC的擴增。在接受高劑量輻射處理的小鼠中，移植Dnmt3a?/?骨髓（BM）細胞會導致HSC擴增，并提高外周血嵌合率，但在低劑量處理的小鼠中未觀察到這種擴增現象，這表明腸道上皮損傷促進了Dnmt3a突變HSC的擴增。為了直接研究腸道上皮損傷對突變HSC的影響，將Dnmt3a?/? BM細胞移植到接受低劑量輻射的小鼠中，并用硫酸葡聚糖鈉（DSS）處理這些小鼠。DSS會損傷腸道上皮，模擬人類潰瘍性結腸炎（一種常見的炎癥性腸病）。實驗結果顯示，DSS顯著促進了Dnmt3a?/? HSC在骨髓和次級受體小鼠中的擴增，并伴隨多系分化。而使用廣譜抗生素后，這種由腸道上皮損傷引起的Dnmt3a?/? HSC擴增減少。抗生素在沒有腸道上皮損傷的情況下并未改變野生型（WT）或Dnmt3a?/? HSC的數量，這表明微生物群失調促進了Dnmt3a?/? HSC的擴增。腸道上皮損傷通常會導致細菌生態系統的失衡。為了研究DSS誘導的微生物群失調是否驅動了Dnmt3a?/? HSC的擴增，作者進行了糞便微生物移植實驗，將來自接受水或DSS處理的野生型小鼠的腸道微生物群移植到受體小鼠中。移植后，受體小鼠保留了以革蘭氏陰性菌門相對豐度增加為特征的微生物群失衡。移植來自DSS處理小鼠的微生物群，而非水處理小鼠的微生物群，導致了Dnmt3a?/? HSC的擴增。與年輕小鼠相比，老年小鼠的腸道通透性增加。將Dnmt3a?/? BM細胞移植到接受低劑量輻射處理的老年受體小鼠中，導致了突變HSC的擴增和外周血嵌合率的顯著增加。相比之下，移植到年輕受體小鼠中的Dnmt3a?/? BM細胞并未導致突變細胞的擴增，這表明與年齡相關的腸道上皮完整性喪失是Dnmt3a?/? HSC擴增的一個促成因素。作者將來自年輕或老年小鼠的糞便材料移植到移植了Dnmt3a?/? BM細胞的小鼠中，來自老年小鼠的微生物群導致了Dnmt3a?/? HSC的擴增，而來自年輕小鼠的微生物群則沒有。這些發現表明，無論是由DSS還是衰老引起的腸道屏障功能障礙和微生物群改變，都會促進Dnmt3a突變HSC的選擇性擴增。

圖二 循環中的革蘭氏陰性菌代謝物ADP-庚糖促進HSC的擴增

革蘭氏陰性菌的一個顯著特征是其產生脂多糖（LPS）。與表現出不同免疫原性的LPS相比，ADP-庚糖是一種可溶性的LPS生物合成途徑中間產物具有高度免疫原性。它從活的、裂解的或被內化的革蘭氏陰性菌中釋放出來并能夠輕易穿過細胞膜，激活胞質受體ALPK1。作者在腸道屏障功能障礙后通過質譜確認了循環中的ADP-庚糖。與衰老過程中革蘭氏陰性菌成分擴散增加一致的是，DSS誘導的小鼠腸道屏障功能障礙導致骨髓（BM）和外周血血漿中出現循環ADP-庚糖。在移植了來自DSS處理小鼠的微生物群的野生型和Dnmt3a?/?受體小鼠的循環中也檢測到了ADP-庚糖，但在移植了來自水處理小鼠微生物群的小鼠中未檢測到。老年個體和骨髓增生異常綜合征（MDS）患者血漿中也可檢測到ADP-庚糖，而年輕個體中則未檢測到。重要的是，大多數健康的年輕個體中未檢測到循環ADP-庚糖，這表明ADP-庚糖的擴散是年齡依賴性腸道屏障功能障礙的結果。所有年齡段的炎癥性腸病（IBD）患者血漿中也檢測到循環ADP-庚糖，這與嚴重的上皮損傷一致。腸道上皮完整性的喪失（如由衰老引起）導致了革蘭氏陰性菌代謝物ADP-庚糖進入循環。作者將Dnmt3a?/?或野生型BM細胞移植到接受低劑量輻射的小鼠中，然后用ADP-庚糖處理這些小鼠，所選ADP-庚糖濃度接近老年人群中的血漿水平。ADP-庚糖并未影響野生型HSC的數量和次級受體小鼠中的植入能力。作者進一步研究了ADP-庚糖是否影響其他與CHIP相關的突變，包括TET2功能缺失突變和DNMT3A突變（人類中的DNMT3A(R882H)或小鼠中的DNMT3A(R878H)）。與Dnmt3a?/? HSC類似，ADP-庚糖擴增了Tet2?/?和Dnmt3aR878H/+ HSC，并促進了自我更新和多系分化。在免疫缺陷小鼠中異種移植的人類MDS BM細胞在接受28天ADP-庚糖處理后擴增，而ADP-庚糖并未影響健康BM細胞的植入能力。

圖三 ADP-庚糖通過ALPK1誘導白血病前細胞的轉錄改變

作者對經ADP-庚糖體外處理的純化野生型、Dnmt3a?/?以及 Dnmt3a?/?Alpk1?/?的lineage?SCA1+KIT+（LSK）造血干細胞和祖細胞進行了轉錄組分析。結果顯示，ADP-庚糖在Dnmt3a?/? HSPCs中誘導了顯著的基因表達變化，而在野生型HSPCs中差異表達基因較少。大多數在Dnmt3a?/? HSPCs中的基因表達變化在Dnmt3a?/?Alpk1?/? HSPCs中并未出現，這表明ADP-庚糖的作用依賴于ALPK1。GO分析顯示，ADP-庚糖調控了與先天免疫信號、炎癥以及髓系細胞分化抑制相關的通路。ADP-庚糖在Dnmt3a?/? HSPCs中誘導的許多上調基因與未成熟的造血細胞相關，并且已知這些基因會增強細胞增殖和自我更新程序。ADP-庚糖在Dnmt3a?/? HSPCs中誘導的差異表達基因富集了NF-κB（NFKB1, RELA）、核因子I C（NFIC）的HIF誘導、STAT1和ETS轉錄因子的DNA結合基序。相比之下，經ADP-庚糖刺激的野生型HSPCs表達了與成熟免疫細胞相關的基因，并富集了PAX5、RFX5、TCF3和STAT1的DNA基序，而NF-κB結合位點僅有輕微富集。與NF-κB基序富集和通路激活一致，經ADP-庚糖刺激的Dnmt3a?/? HSPCs表現出NF-κB靶基因的富集，而野生型HSPCs則沒有。

總結

該研究揭示了ADP-庚糖作為一種與年齡相關的微生物代謝產物，在促進白血病前細胞（如CHIP或意義未明的克隆性細胞減少癥）擴增方面的作用。隨著年齡的增長，腸道屏障功能障礙導致能夠產生ADP-庚糖的革蘭氏陰性菌增多，進而使血液中ADP-庚糖水平升高。這種變化增強了白血病前細胞的自我更新能力，并賦予其相對于非突變造血干細胞的競爭優勢。這項發現為理解白血病前期的發展提供了新的視角，并可能為預防和治療提供新策略。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41586-025-08938-8