Dev Cell | 武汉大学蒋卫团队发现人内胚层分化的调控新机制

胚胎干细胞(ESCs)起源于囊胚的内部细胞群，能够自我更新并分化为三个胚层。它们分化并形成各种器官，这些器官的功能障碍可导致危及数百万人生命的各种疾病。因此，对细胞分化的调控机制，特别是作为器官发生第一步的早期胚层分化的认识越来越受到人们的关注。

2023年7月28日，武汉大学蒋卫团队在Developmental Cell  在线发表题为“Fatty acid synthesis and oxidation regulate human endoderm differentiation by mediating SMAD3 nuclear localization via acetylation”的研究论文，该研究将脂肪酸代谢定义为人类胚胎干细胞最终内胚层分化的关键参与者。脂肪酸β氧化增强而脂肪生成减少，这是由于脂肪生成酶乙酰辅酶a羧化酶被AMPK磷酸化。更重要的是，无论是脂肪酸抑制剂还是AMPK激动剂，对脂肪酸合成的抑制都能显著促进人内胚层的分化，而脂肪酸氧化的阻断则会损害分化。

从机制上说，减少从头脂肪酸合成和增强脂肪酸β-氧化都有助于细胞内乙酰辅酶A的积累，从而保证SMAD3的乙酰化，并进一步引起核定位，促进内胚层分化。因此，该的研究确定了在早期分化过程中脂肪酸的合成/氧化转移，并提出了脂肪酸代谢在调节人类内胚层分化中的指导作用。

在过去的几十年里，科学家们已经取得了大量的成果，突出了转录因子、信号通路、表观遗传修饰和长链非编码RNAs在人类ESCs早期分化中的作用。此外，据报道，代谢过程是调节多能性退出以启动分化的主要候选过程。Moussaieff及其同事利用核磁共振观察到，尽管多能基因OCT4、NANOG或REX1的表达没有显著下调，但在早期分化的前48小时内，ESCs培养基和提取物的代谢谱发生了显著变化。最近的一些研究探索了多能干细胞(PSCs)和早期生殖谱系之间的动态代谢状态。

与高糖酵解水平的PSCs相比，神经祖细胞的糖酵解率和线粒体活性降低。然而，Cliff及其同事发现，分化的神经祖细胞保持高糖酵解率和低氧消耗率(OCRs)，这与PSCs内胚层相比，葡萄糖刺激后中胚层糖酵解速率升高;但是Cliff和他的同事们发现它们在糖酵解代谢方面没有明显的差异。这些研究共同表明，在早期生殖谱系分化过程中的代谢变化是高度动态的，因此迫切需要对早期分化进行代谢解剖。

脂质通常被认为是细胞和细胞器膜骨架的重要组成部分，在细胞增殖和组织再生中起着重要作用。脂质代谢的产物已被证明是决定细胞命运的关键。乙酰辅酶A (CoA)是脂肪酸合成(FAS)的关键前体，也是脂肪酸氧化(FAO)的代谢产物，是多种生物过程所需要的蛋白质乙酰化供体。FAO可以通过影响smad7乙酰化和稳定性来调节内皮细胞向间质细胞的转变。增强的新生脂肪形成是一种合成代谢-能量储存途径，通过降低细胞乙酰辅酶A的水平参与体细胞重编程，从而导致乙酰化介导的FIS1泛素蛋白酶体降解和线粒体裂变增强。然而，脂质代谢在ESC早期分化中的作用尚不清楚。

机理模式图（图源自Developmental Cell ）

几项研究已经确定了ESCs多能性维持和谱系分化所必需的关键脂肪酸代谢途径，这引起了人们对代谢和命运决定之间关系的更广泛兴趣。在原始到引物的人类ESC转变过程中，细胞代谢模式被重塑，表现为电子传递链活性和FAO的下降，脂质生物合成和HIF1α稳定性的增强。在机制上，在初始ESCs中，烟酰胺N-甲基转移酶(NNMT)高度上调并消耗S-腺苷蛋氨酸(SAM)，使其无法进入H3K27me3抑制状态，从而通过WNT和HIF途径调节启动ESCs特异性代谢模式此外，抑制FAO/氧化磷酸化(OxPhos)也可以诱导原始人类ESCs过渡到静止状态，这是由赖氨酸乙酰转移酶8 (KAT8)调节的。另有研究报道，在无脂培养基中维持的ESCs表现出显著增强的脂质生物合成，以弥补培养基中脂质缺乏，而补充脂质可以缓解这种上调以保持多能性。有趣的是，脂肪酸摄取和细胞内乙酰辅酶A在ESCs的自发分化过程中发生了改变，这些结果提示脂质代谢可能是ESC命运决定的重要调节因子。

该研究使用定向决定性内胚层(DE)分化作为研究模型，分析了脂肪酸代谢动力学，发现FAS和FAO表现出相反的代谢物谱。为了剖析脂肪酸代谢在细胞分化中的作用，研究人员使用化学物质和CRISPR-Cas9基因编辑技术来干扰FAO或FAS。进一步探索了脂肪酸代谢的下游，发现SMAD3的乙酰化影响核定位和信号活性，有助于DE分化。总之，该研究剖析了脂肪酸代谢在人内胚层分化中的关键作用。作者发现细胞将脂肪酸转化为乙酰辅酶A和SMAD3乙酰化，而不是乙酰辅酶A转化为脂肪酸。此外，该研究发现通过药物或遗传方法阻断乙酰辅酶A可以显著影响人内胚层分化。因此，该研究不仅揭示了脂肪酸代谢在早期谱系特化中的作用，而且为脂肪酸代谢在细胞命运决定中的调节关系提供了证据。

武汉大学医学研究院博士研究生弋颖为本论文的第一作者，蒋卫教授为论文的通讯作者。研究生兰贤春、李迎雷、闫晨超、吕静、张天喆等也做出了重要贡献。

原文链接：

https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(23)00335-0

转自：“iNature”微信公众号

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