Protein & Cell | 單細胞分析揭示氧化磷酸化產生胚胎幹細胞主要能量並耦合己糖胺合成途徑調控多能性
線粒體氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）和糖酵解（glycolysis）是生物體獲取ATP的兩個主要途徑，其中間產物在很多細胞生命活動中發揮着重要的調控功能。越來越多的證據表明，物質能量代謝在細胞命運決定中發揮着關鍵性的作用。與體細胞相比，胚胎幹細胞（Embryonic Stem Cell， ESC）分裂周期短，增殖速度快，提示ESC具有獨特的代謝特徵來維持其自我更新和快速增殖的內穩態。由於ESC線粒體的結構形態呈球狀，脊狀結構較少，一直被認為是一種「未成熟」狀態。與其他體細胞相比，ESC糖酵解水平高而氧化磷酸化水平低，因此領域內傳統的觀點普遍認為ESC主要依靠糖酵解供能，線粒體氧化磷酸供能作用有限【1-7】。然而，不同類型細胞的大小，細胞器組成，線粒體含量本身千差萬別，僅僅細胞類型之間總體水平的比較，並不能客觀的反映細胞內部線粒體自身的功能差異。近年來，研究逐步發現線粒體在多能性維持中發揮着不可替代的作用，如：發育更早期的「naïve（原始態）ESCs」比「prime（始發態） ESCs」具有更高的氧化磷酸化水平【8-10】；高自噬流調控的線粒體內穩態是保證體細胞重編程效率和維持多能幹細胞乾性的關鍵因素【11,12】。
近日，中科院動物研究所趙同標研究組、清華大學醫學院常智傑研究組與中科院生物物理所李棟研究組合作在Protein & Cell雜誌上在線發表了題為 Oxidative phosphorylation safeguards pluripotency via UDP-N-acetylglucosamine 的論文。該工作發現胚胎幹細胞中的線粒體具有高效的ATP產生能力，氧化磷酸化是多能幹細胞主要產能方式；氧化磷酸化耦合氨基己糖合成途徑，通過多能性因子的氨基乙酰糖基化修飾調控多能幹細胞的自我更新和多向分化潛能。
研究人員通過SIM-3D成像技術測量了原始態ESC, 始發態ESC, 神經幹細胞，胚胎成纖維細胞，心肌細胞的細胞體積以及單細胞內線粒體的總體積，並結合各類細胞線粒體蛋白含量，分別以單位細胞數量，單位細胞蛋白質量、單位線粒體體積、單位線粒體蛋白質量為標尺，比較了上述五類細胞中氧化磷酸化的供能情況。研究結果發現Naïve ESC的線粒體在相同體積或相同質量的條件下，氧化磷酸化產能均顯著高於其他種類細胞的線粒體（原始態ESC>始發態ESC>神經幹細胞>胚胎成纖維細胞>心肌細胞）。單個細胞內部氧化磷酸化與糖酵解供能分析顯示，氧化磷酸化供給了Naïve ESC約70%的能量；在Prime ESC細胞中氧化磷酸化供給了約50%的能量。
進一步代謝組學研究表明，抑制氧化磷酸化引起胚胎幹細胞中UDP-GlcNAc的含量顯著降低，細胞內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後在0.5小時內即顯著降低，3小時後多能性蛋白表達呈現顯著降低。通過研究囊胚內細胞團對氧化磷酸化抑制和GlcNAc回補的響應，論證了體內早期胚胎髮育過程中氧化磷酸化耦合氨基己糖合成途徑的重要意義。
該研究提出了胚胎幹細胞中線粒體處於「超活性」狀態的新觀點，發現了氧化磷酸化是多能幹細胞的主要產能方式，揭示了氧化磷酸化在為多能幹細胞提供主要能量的同時，通過糖基化修飾調節多能性蛋白表達從而調控多能幹細胞的乾性。同時該研究提示處於發育狀態更早期的細胞的具有更高的線粒體活性。
本工作由中科院動物研究所趙同標研究員團隊、清華大學的常智傑教授團隊和中科院生物物理所李棟研究員團隊合作完成。趙同標為該論文的通訊作者。中科院動物研究所曹佳妮博士、清華大學博士研究生李萌為該論文的共同第一作者。
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https://doi.org/10.1093/procel/pwac009
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