Protein & Cell | 单细胞分析揭示氧化磷酸化产生胚胎干细胞主要能量并耦合己糖胺合成途径调控多能性
线粒体氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）和糖酵解（glycolysis）是生物体获取ATP的两个主要途径，其中间产物在很多细胞生命活动中发挥着重要的调控功能。越来越多的证据表明，物质能量代谢在细胞命运决定中发挥着关键性的作用。与体细胞相比，胚胎干细胞（Embryonic Stem Cell， ESC）分裂周期短，增殖速度快，提示ESC具有独特的代谢特征来维持其自我更新和快速增殖的内稳态。由于ESC线粒体的结构形态呈球状，脊状结构较少，一直被认为是一种“未成熟”状态。与其他体细胞相比，ESC糖酵解水平高而氧化磷酸化水平低，因此领域内传统的观点普遍认为ESC主要依靠糖酵解供能，线粒体氧化磷酸供能作用有限【1-7】。然而，不同类型细胞的大小，细胞器组成，线粒体含量本身千差万别，仅仅细胞类型之间总体水平的比较，并不能客观的反映细胞内部线粒体自身的功能差异。近年来，研究逐步发现线粒体在多能性维持中发挥着不可替代的作用，如：发育更早期的“naïve（原始态）ESCs”比“prime（始发态） ESCs”具有更高的氧化磷酸化水平【8-10】；高自噬流调控的线粒体内稳态是保证体细胞重编程效率和维持多能干细胞干性的关键因素【11,12】。
近日，中科院动物研究所赵同标研究组、清华大学医学院常智杰研究组与中科院生物物理所李栋研究组合作在Protein & Cell杂志上在线发表了题为 Oxidative phosphorylation safeguards pluripotency via UDP-N-acetylglucosamine 的论文。该工作发现胚胎干细胞中的线粒体具有高效的ATP产生能力，氧化磷酸化是多能干细胞主要产能方式；氧化磷酸化耦合氨基己糖合成途径，通过多能性因子的氨基乙酰糖基化修饰调控多能干细胞的自我更新和多向分化潜能。
研究人员通过SIM-3D成像技术测量了原始态ESC, 始发态ESC, 神经干细胞，胚胎成纤维细胞，心肌细胞的细胞体积以及单细胞内线粒体的总体积，并结合各类细胞线粒体蛋白含量，分别以单位细胞数量，单位细胞蛋白质量、单位线粒体体积、单位线粒体蛋白质量为标尺，比较了上述五类细胞中氧化磷酸化的供能情况。研究结果发现Naïve ESC的线粒体在相同体积或相同质量的条件下，氧化磷酸化产能均显著高于其他种类细胞的线粒体（原始态ESC>始发态ESC>神经干细胞>胚胎成纤维细胞>心肌细胞）。单个细胞内部氧化磷酸化与糖酵解供能分析显示，氧化磷酸化供给了Naïve ESC约70%的能量；在Prime ESC细胞中氧化磷酸化供给了约50%的能量。
进一步代谢组学研究表明，抑制氧化磷酸化引起胚胎干细胞中UDP-GlcNAc的含量显著降低，细胞内蛋白的糖基化水平降低。其中多能性蛋白OCT4和SOX2的糖基化水平在氧化磷酸化抑制后在0.5小时内即显著降低，3小时后多能性蛋白表达呈现显著降低。通过研究囊胚内细胞团对氧化磷酸化抑制和GlcNAc回补的响应，论证了体内早期胚胎发育过程中氧化磷酸化耦合氨基己糖合成途径的重要意义。
该研究提出了胚胎干细胞中线粒体处于“超活性”状态的新观点，发现了氧化磷酸化是多能干细胞的主要产能方式，揭示了氧化磷酸化在为多能干细胞提供主要能量的同时，通过糖基化修饰调节多能性蛋白表达从而调控多能干细胞的干性。同时该研究提示处于发育状态更早期的细胞的具有更高的线粒体活性。
本工作由中科院动物研究所赵同标研究员团队、清华大学的常智杰教授团队和中科院生物物理所李栋研究员团队合作完成。赵同标为该论文的通讯作者。中科院动物研究所曹佳妮博士、清华大学博士研究生李萌为该论文的共同第一作者。
原文链接：
https://doi.org/10.1093/procel/pwac009
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