哺乳动物胚胎造血起始于胚胎外的卵黄囊血岛，经过短暂的原始造血阶段，造血场所迁移至主动脉-性腺-中肾区，由此开始出现造血干细胞，不久造血干细胞主要迁徙至胚胎肝脏，启动活跃的胎肝造血，直至最后迁移至骨髓造血【1】。造血细胞（包括造血干细胞和造血祖细胞）在进入骨髓获得庇护屏障前需要经历相对多的应激，尤其是活跃的胎肝造血阶段造血细胞存在更高的风险。干扰素刺激基因ISG15编码一种类泛素化蛋白分子，以往普遍认为，该基因的表达激活必须由病毒感染刺激机体产生的干扰素等因素所诱导。表达的ISG15可通过酶级联反应共价结合到数百个靶蛋白上，以增强细胞因子表达和对入侵病原的炎症反应等多种生物反应，故ISG15又有炎症放大器之称【2】。非结合状态的单体ISG15也被报道具有细胞因子的功能，可加剧新冠病毒SARS-CoV-2触发的炎性细胞因子风暴【3】。但是，机体如何管控ISG15的表达激活，以预防不期的细胞因子风暴，避免无差别误伤组织器官，其机制尚不清楚。Beclin 1是由美国已故Beth Levine教授领导的实验室鉴定的首个哺乳动物细胞自噬蛋白【4】，在自噬起始中起着关键作用【5,6】。Beclin 1通过自噬途径在预防肿瘤发生、抗衰老等方面发挥重要作用已有广泛而深入的研究【4, 7-9】，但关于Beclin 1在胚胎造血中的作用未见报道。近日，苏州大学王建荣实验室在Journal of Clinical Investigation上发表了题为Beclin 1 prevents ISG15-mediated cytokine storms to secure fetal hematopoiesis and survival的研究论文，发现之前被认为哺乳类细胞自噬机器中关键调控蛋白 Beclin 1，以不依赖于自噬途径方式在胚胎造血器官中管控 ISG15 介导的细胞因子风暴，从而维护正常的胚胎造血和发育存活。该研究中，作者首先构建了造血系统Beclin 1组成型缺失的小鼠模型，发现Beclin 1缺失的小鼠全部于围产期死亡，胎儿外周血中炎性细胞增加。作者研究小鼠胎儿主要造血器官肝脏发现，Beclin 1的缺失导致胎肝造血细胞功能失调和耗竭，表明Beclin 1对于维持胚胎造血和存活至关重要。通过对胎肝造血细胞的微量转录组学及微量蛋白组学联合分析和实验验证，表明在Beclin 1缺失的小鼠胎肝造血细胞中ISG15的表达异常升高，炎症信号被显著激活。随后作者在Beclin 1缺失的胚胎造血细胞中沉默ISG15，能部分挽救造血细胞的造血功能，降低炎症水平。作者筛选发现，胎肝造血细胞中信号传导及转录激活蛋白3（STAT3）是ISG15的转录因子，抑制STAT3活性可以挽救Beclin 1缺失的胎肝造血细胞功能。作者进而运用生化实验和分子对接分析发现胚胎造血组织中Beclin 1通过其序列进化保守域（ECD）与STAT3分子结合，其中涉及6个氢键互作和3个盐桥互作，以抑制STAT3 磷酸化激活，进而阻止其作为转录因子进入细胞核，从而阻止STAT3激活 ISG15转录表达及其下游级联修饰引发的炎症反应，由此保护胚胎造血细胞免受炎症反应攻击，维护胚胎正常造血和发育。基于蛋白间对接预测模型HDCOK分析提示人中Beclin 1与STAT3也存在类似互作。尽管自噬研究领域内普遍认为Beclin 1通过自噬途径发挥生物学作用，但本研究发现虽然Beclin 1缺失影响胎肝造血细胞自噬，但Beclin 1对STAT3-ISG15信号转导轴的控制在自噬功能受损（敲除其他自噬必需基因）的胎儿造血器官中仍然有效，表明胎肝造血器官中Beclin 1对STAT3-ISG15信号转导的调控作用独立于细胞自噬途径。![]()
图1. Beclin 1通过控制ISG15介导的细胞因子风暴维护胎儿造血与发育综上所述，该研究证明胎儿造血细胞也存在发生细胞因子风暴的风险，并证明ISG15的激活并不一定需要干扰素激活，只要Beclin 1失去对STAT3的蛋白修饰管控，ISG15即可被激活，从而诱发细胞因子风暴。Beclin 1以一种不依赖于自噬途径的方式，在胚胎造血中通过其ECD结构域与STAT3结合，调控STAT3的磷酸化和激活，进而控制ISG15介导的细胞因子风暴。这一研究发现对于理解胚胎妊娠失败和儿童白血病病因的早期溯源、监测，以及对于以Beclin 1为靶点保护性干预胚胎造血发育以预防白血病萌发，具有重要的理论意义和临床应用前景。苏州大学博士生魏雯、高雪芹为本文的共同第一作者，王建荣教授，袁娜、方艺璇副研究员为共同通讯作者。https://www.jci.org/articles/view/177375
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1. Orkin SH et al. Hematopoiesis: an evolving paradigm for stem cell biology. Cell. 2008; 132, 631–44.
2. Perng YC, and Lenschow DJ. ISG15 in antiviral immunity and beyond. Nat Rev Microbiol. 2018; 16, 423–39.
3. Munnur D, et al. Altered ISGylation drives aberrant macrophage-dependent immune responses during SARS-CoV-2 infection. Nat Immunol. 2021; 22, 1416–27.
4. Liang XH, et al. Induction of autophagy and inhibition of tumorigenesis by beclin 1. Nature. 1999; 402, 672–6.
5. Furuya N, et al. The evolutionarily conserved domain of Beclin 1 is required for Vps34 binding, autophagy and tumor suppressor function. Autophagy. 2005; 1, 46–52.
6. Ryan C, et al. ULK1 induces autophagy by phosphorylating Beclin-1 and activating VPS34 lipid kinase. Nature Cell Biology 2013; 15, 741–50.
7. Qu X, et al. Promotion of tumorigenesis by heterozygous disruption of the beclin 1 autophagy gene. J Clin Invest. 2003;112, 1809–20.
8. Yue Z, et al. Beclin 1, an autophagy gene essential for early embryonic development, is a haploinsufficient tumor suppressor. Proc Natl Acad Sci U S A. 2003; 100, 15077-82.
9. Fernández AF, et al. Disruption of the beclin 1–BCL2 autophagy regulatory complex promotes longevity in mice. Nature 2018; 558, 136–40.
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