轉自：BioArtMED     點評專家｜高紹榮、樂融融   （同濟大學，干細胞專家），李偉、王思騏（中科院動物所，干細胞專家），呂志民（浙江大學，代謝專家），高平（廣東醫(yī)學科學院，代謝專家）    

哺乳動物細胞內，存在兩個具有遺傳物質的細胞器：細胞核與線粒體。這兩者自從大約二十億年前的相遇，開始了相戀相依的進化歷程。多能干細胞獨特的自我更新能力及分化為多種細胞類型的能力，使其在再生醫(yī)學和發(fā)育生物學研究中受到了極大的關注。胚胎干細胞(embryonic stem cell, ESCs)及誘導多能干細胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)是兩種常見的多能干細胞。多能干細胞具有特殊的表觀遺傳修飾狀態(tài)，而許多線粒體代謝產物如：乙酰輔酶A、α-酮戊二酸、NAD+等作為組蛋白修飾酶的輔基直接發(fā)揮重要作用。劉興國團隊在國際上獨辟蹊徑，以多能干細胞模型系統(tǒng)的闡明了線粒體氧離子調控組蛋白甲基化與DNA甲基化1，2，線粒體代謝產物調控組蛋白乳酸化、乙?；?，線粒體磷脂調控組蛋白乙?；盎虮磉_4-6等一系列通過反向信號模式調控細胞核的全新模式。

三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle, TCA cycle)作為需氧生物體內最普遍存在的代謝途徑，是物質代謝與能量代謝的重要樞紐。線粒體TCA循環(huán)酶正常行駛功能是TCA循環(huán)維持的關鍵。TCA循環(huán)酶在一些惡性腫瘤細胞中能從線粒體轉運到細胞核內發(fā)揮DNA修復和表觀遺傳調控的作用7。然而，TCA循環(huán)酶在多能性獲得與轉變中時空調控的規(guī)律和作用還完全不清楚。    

2022年 12月2日，Nature子刊 Nature Communications 在線發(fā)表了中科院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院劉興國課題組持續(xù)性工作的最新研究成果“Nuclear Localization of Mitochondrial TCA Cycle Enzymes Modulates Pluripotency via Histone Acetylation”（線粒體TCA循環(huán)酶入核通過組蛋白乙酰化調控多能性）8。該研究發(fā)現(xiàn)，多種線粒體TCA循環(huán)酶在多能干細胞獲得、狀態(tài)轉變以及轉變?yōu)槿芨杉毎冗^程中均存在從線粒體轉運到細胞核的現(xiàn)象，并且核定位TCA循環(huán)酶調控上述過程。核定位丙酮酸脫氫酶 (Pdha1) 能促進細胞核內乙酰CoA從而促進組蛋白乙酰化修飾，并進一步打開多能性相關基因，促進多能性獲得。該研究揭示了線粒體TCA循環(huán)酶入核通過表觀遺傳調控多能性的重要作用，拓展了線粒體反向信號調控干細胞多能性的新模式。

劉興國團隊聚焦多能性的各個過程，包括：多能干細胞獲得（iPSCs重編程）、始發(fā)態(tài)-原始態(tài)轉變（Primed-Na?ve轉變）、轉變?yōu)槿芨杉毎‥SCs-類二細胞期細胞（2CLCs）轉變）。在以上過程，均發(fā)現(xiàn)線粒體內TCA循環(huán)酶類包括Pdha1、Pcb、Aco2、Cs、Idh3a、Ogdh、Sdha、Mdh2等存在從線粒體向細胞核轉運的現(xiàn)象。其中，過表達核定位TCA循環(huán)酶Pdha1、Pcb、Aco2、Cs及Idh3a能促進干細胞多能性的獲得及Primed-Na?ve轉變。另外核定位的Pdha1還能促進ESCs向2CLCs的轉變。Pdha1對多能干細胞命運的作用依賴于其丙酮酸脫氫酶活性。

體細胞重編程早期TCA循環(huán)酶入核

劉興國團隊發(fā)現(xiàn)，在多能性獲得過程中，核定位TCA循環(huán)酶Pdha1不改變細胞的有氧呼吸及糖酵解動態(tài)平衡。核定位Pdha1通過促進細胞核內乙酰輔酶A的合成為組蛋白乙酰化提供反應底物，促進組蛋白H3乙?；? 尤其是H3K9及H3K27兩個位點的乙?；揎椝?。進一步研究發(fā)現(xiàn)，核定位Pdha1能促進多能性相關基因的轉錄起始位點及增強子區(qū)域的H3K9ac及H3K27ac水平。核定位Pdha1能促進P300及重編程因子Sox2/Klf4/Oct4對他們下游靶標（多能性基因）的結合，并促進多能性相關基因染色質的重塑，進而促進多能性的獲得。    

這一工作也為目前新的組蛋白修飾如：組蛋白棕櫚?；投辊；⒍□；揎椀鹊难芯刻峁┝诵碌难芯克悸?，這些修飾也依賴于線粒體產生的代謝物。本研究描述了多個 TCA 循環(huán)酶的轉運入核。除了Pdha1 外，其他TCA 循環(huán)酶也可能在調節(jié)細胞核中的表觀遺傳學中發(fā)揮類似作用，提示細胞核中可能存在類似于線粒體中的復雜代謝循環(huán)，并調控多種表觀遺傳途徑。

本研究闡明的Pdha1轉運入核為組蛋白乙?；峁┚植恳阴］o酶 A，是一種全新的通過活躍的組蛋白乙?；S持染色質開放狀態(tài)的新途徑。這一途徑對于多能性至關重要，表明在早期發(fā)育中重要的生理意義。另一方面，腫瘤干細胞同樣表現(xiàn)出開放的染色質結構、過度活躍的組蛋白乙?；蛷难趸姿峄綗o氧糖酵解的代謝轉換，這一新途徑也可能為腫瘤干細胞的病理研究提供信息。

細胞核與線粒體在二十億年相戀相依中，進化很多的交流方式，其中線粒體代謝物入核作為表觀遺傳酶的輔基是重要的一種。這就像線粒體與細胞核隔著細胞質的海洋，“一種思念上蘭舟，二處閑愁寄紅豆”，代謝物就是那舟上相思的“紅豆”。而線粒體TCA循環(huán)酶則另辟蹊徑，作為線粒體的“信物”，到達細胞核，更加精準的對應需求，在細胞核里局部生根發(fā)芽，就地利用養(yǎng)料（丙酮酸）結出新鮮茂密的“紅豆”，并使局部的核小體松散。正是：“三羧酸酶知我意，四雙化作核體柔”。  

TCA循環(huán)酶入核調控多能性獲得、多能性轉變及全能性獲得模式圖  

本研究與香港中文大學合作完成。

專家點評  

高紹榮、樂融融（同濟大學，干細胞專家）

多能干細胞具有自我更新和多向分化潛能，在發(fā)育生物學及再生醫(yī)學領域有重要的研究價值及廣闊的臨床應用前景。誘導多能干細胞（iPSCs）技術規(guī)避了胚胎干細胞（ESCs）的免疫排斥及倫理問題，極大地推動了多能干細胞在臨床治療中的應用。線粒體對多能干細胞的命運調控有重要作用。除了經典的能量代謝調控功能，近年來的研究也揭示了線粒體對表觀修飾重塑具有重要的影響，然而具體的作用機制還知之甚少。

2022年 12月，Nature Communications雜志在線報道了中科院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院劉興國課題組的題為Nuclear Localization of Mitochondrial TCA Cycle Enzymes Modulates Pluripotency via Histone Acetylation的工作，該研究系統(tǒng)地揭示了多能性轉變的多條路徑中均存在三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle, TCA cycle)酶由線粒體向細胞核轉運的現(xiàn)象。研究者進一步探索了核定位的三羧酸循環(huán)酶的功能，發(fā)現(xiàn)TCA循環(huán)酶Pdha1、Pcb、Aco2、Cs及Idh3a的核定位能促進干細胞多能性的獲得及Primed to Na?ve多能性狀態(tài)轉變。此外核定位的Pdha1還能促進ESCs向類二細胞胚胎細胞（2CLCs）的轉變。接下來，研究者解析了Phda1在多能性獲得中的作用機制，發(fā)現(xiàn)Phda1的入核能促進乙酰輔酶A在細胞核內的直接合成，為組蛋白乙?；揎椞峁┓磻孜?，促進了組蛋白H3的乙?；?。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，核定位的Pdha1通過提高多能性相關基因轉錄起始位點和增強子區(qū)域的H3K9ac和H3K27ac修飾水平，促進P300及多能性核心調控因子Sox2/ Klf4/Oct4在這些區(qū)域的結合，進而促進多能性基因網絡的建立。

該研究闡明了線粒體調控細胞命運轉變的表觀調控的新機制，揭示了TCA循環(huán)酶可在細胞核內直接合成表觀修飾酶輔助因子來調控染色質修飾的重塑，拓展了對細胞核與細胞質協(xié)同調控細胞命運轉變模式的理解。同時，相關的研究問題也值得進一步探索，除了組蛋白乙?；渌木€粒體TCA循環(huán)酶及其它表觀修飾之間是否存在類似的反向信號模式的調控機制？這些TCA循環(huán)酶入核的轉運機制是如何發(fā)生的？多能干細胞線粒體呼吸能力低下，缺乏成熟的結構，并在細胞核周圍富集，這些有別于終末分化細胞的特征是否與TCA循環(huán)酶的轉運相關。具有相似線粒體特性的其它細胞，如類全能干細胞、成體干細胞或者早期胚胎發(fā)育中是否有相似的機制。此外，干細胞的快速自我更新過程中核膜結構的重塑是否與TCA循環(huán)酶的入核相關？解答這些有趣的問題無疑將幫助我們進一步揭開核質協(xié)同互作調控細胞命運轉變的奧秘。

專家點評  

李偉、王思騏（中科院動物所，干細胞專家）

多能干細胞具有無限增殖的能力，同時又保留多向分化潛能，在發(fā)育生物學和再生醫(yī)學中擁有廣闊的應用前景。多能干細胞的多能性受到基因調控網絡的精密調控，其中在細胞核內發(fā)生的DNA甲基化、組蛋白修飾、染色體重構等表觀遺傳調控發(fā)揮了關鍵作用。線粒體作為細胞能量代謝的中心，不僅通過三羧酸循環(huán)（TCA）產生細胞所必需的能量ATP，同時產生的中間代謝產物還可以作為表觀修飾的底物，通過反向轉運進入細胞核中，參與多種蛋白翻譯后修飾。這些發(fā)現(xiàn)提示線粒體代謝與細胞核內發(fā)生的表觀遺傳調控有著緊密聯(lián)系，而這些調控是否參與干細胞多能性重編程這一重要表觀重編程事件，目前仍然未知。

中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院劉興國課題組在Nature Communications上發(fā)表的題為Nuclear Localization of Mitochondrial TCA Cycle Enzymes Modulates Pluripotency via Histone Acetylation的研究論文，發(fā)現(xiàn)線粒體TCA循環(huán)酶-丙酮氨酸脫氫酶Pdha1可從線粒體轉運進入細胞核，通過影響組蛋白乙?；揎椪{控細胞多能性，在iPSC重編程、Primed向Na?ve多能性轉變、以及類二細胞期細胞轉變過程中均發(fā)揮重要作用。Pdha1是線粒體中催化丙酮酸脫羥產生乙酰輔酶A（Acetyl-CoA）的CTA循環(huán)酶，產生的乙酰輔酶A是乙?；揎椀姆磻孜?。研究發(fā)現(xiàn)核定位Pdha1顯著增加了細胞核內Acetyl-CoA水平，并上調了多能性相關基因啟動子區(qū)域的H3K9ac和H3K27ac水平。同時，核定位Pdha1促進P300和重編程因子在多能性相關靶基因啟動子區(qū)域的結合，進而調控多能性的獲取。這一研究非常有意思的發(fā)現(xiàn)在于，在體細胞誘導重編程這一劇烈的表觀重編程事件中，線粒體TCA循環(huán)酶能夠直接進入細胞核對參與表觀修飾的CoA進行調控，從而拓展了線粒體調控細胞多能性的新模式?？紤]到腫瘤發(fā)生和誘導重編程都是非自然發(fā)生的生物學事件，這一模式在其他重要的發(fā)育事件中是否發(fā)揮調控功能，值得未來繼續(xù)探索。

專家點評  

呂志民（浙江大學，代謝專家）

新陳代謝是生命的基本特征。作為生命代謝過程的主要參與者，代謝酶除了發(fā)揮其經典功能為細胞提供物質與能量外，還能通過一些非經典/非代謝功能調控多種復雜的細胞活動及疾病的發(fā)生發(fā)展。代謝酶的非經典/非代謝功能在基因表達、DNA損傷、細胞周期與凋亡、細胞增殖、存活以及腫瘤微環(huán)境調控中均發(fā)揮了重要作用。比如，腫瘤發(fā)生過程中，F(xiàn)BP1可以作為蛋白磷酸酶發(fā)揮功能，α-KGDH關聯(lián)KAT2A調控組蛋白H3的琥珀?；揎?，這為代謝酶作為新的疾病治療靶點提供了可能性。然而在多能性的獲得、轉變及全能性獲得過程中，代謝酶是否也能通過非經典功能調控細胞的多能性或全能性功能仍不得而知。

劉興國團隊研究發(fā)現(xiàn)在多能性獲得、轉變及全能性獲得等多個過程中，TCA循環(huán)酶能從線粒體轉運到細胞核內，并且能調控多能性獲得、轉變及全能性獲得過程。丙酮酸脫氫酶Pdha1能特異性調控細胞核內非經典TCA循環(huán)。其中，細胞核內Acetyl-CoA的生成，為組蛋白乙?；峁┝舜x底物，從而調控組蛋白乙?；?。核Pdha1還能通過P300及經典Yamanaka因子(Sox2, Klf4, Oct4)的選擇性而特異性結合多能性基因，進一步打開染色質, 并促進多能性相關基因染色質的重塑。該研究結果表明，TCA循環(huán)酶通過線粒體-細胞核反向信號調控細胞多能性的機制在細胞多能性獲得，以及對表觀遺傳的調控中起著重要作用。該研究結果豐富了業(yè)界對TCA循環(huán)酶非經典功能的認知范圍，對干細胞干性的調控，以及多能性的獲取研究領域具有理論借鑒和指導意義。

專家點評  

高平（廣東醫(yī)學科學院，代謝專家）

細胞核和線粒體是細胞內的兩類細胞器，長期以來，它們各司其職，結構鮮明。細胞核是真核細胞最大的細胞器，是儲存遺傳物質并傳遞遺傳信息的主要場所，對細胞的生命活動有著極其重要的作用。線粒體是細胞的能量工廠，是細胞內三大營養(yǎng)物質徹底氧化和能量轉化的主要場所，它通過三羧酸循環(huán)的系列氧化和磷酸化反應，將儲存于有機物中的化學能轉化為ATP，為細胞生命活動提供能量。

兩個細胞器的功能雖然彼此獨立，但長期以來，它們之間也互有往來。一方面，線粒體中的許多酶其實是核編碼的，在核糖體翻譯成熟以后，再轉輸到線粒體發(fā)揮作用。而早至上世紀60年代，人們就發(fā)現(xiàn)在線粒體中也存在DNA，后來又發(fā)現(xiàn)RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶等進行DNA復制、轉錄和蛋白質翻譯的全套設備，說明線粒體有相對獨立的遺傳體系，具有自主性的一面。另一方面，從線粒體產生的ATP被運輸到細胞核內，為生命的遺傳活動提供能量。同時，來自線粒體的多種三羧酸循環(huán)的中間代謝產物（乙酰CoA，α-KG，NAD+，琥珀酰CoA等）被運輸到細胞核，為染色質的表觀遺傳學修飾提供底物。盡管禮尚往來，兩類細胞器依然各司其職，互不越界，維持著一種默契。

但隨著研究進展，人們越來越認識到，這種默契在特定情況下是經常被打破的。近來的一些研究表明，來自線粒體三羧酸循環(huán)的一些酶進入到細胞核內，直接干預核內的事件。UCLA 的Utpal Banerjee課題組早年的研究發(fā)現(xiàn)，在胚胎發(fā)育過程中，來自線粒體的一些酶進入核內，通過影響組蛋白的功能及表觀修飾，調控細胞命運（Nagaraj R, et al. Cell 168, 210–223) 。在腫瘤細胞中，呂志民團隊發(fā)現(xiàn)，α-KG脫氫酶復合體 (α-KGDH complex)進入核內，在局部催化產生琥珀酰CoA，后者被乙酰轉移酶KAT2A作為底物利用，導致組蛋白H3的琥珀酰化修飾并調控相關基因的表達，影響腫瘤進程 (Wang et al. Nature. 2017;552: 273-277)。有趣的是，劉興國團隊的最新結果表明，在多能性獲得、細胞狀態(tài)轉變以及全能干細胞形成等過程中，存在多種三羧酸循環(huán)酶從線粒體轉運到細胞核的現(xiàn)象，其中定位于細胞核的代謝酶PDHA1 能在核內催化乙酰CoA的產生，并通過調控組蛋白乙?；揎棧龠M基因表達和多能性的獲得（Li, W. et al. Nature Communications. 2022）。劉興國課題組的這一發(fā)現(xiàn)，描述了多能性獲得過程中，三羧酸循環(huán)酶向核內“集體搬家”的現(xiàn)象，拓寬了目前有關線粒體調控細胞核功能的認知。

劉興國團隊發(fā)現(xiàn)的代謝酶“集體搬家”的現(xiàn)象非常有趣。這喚醒我今年年初的一些回憶。受北京冬奧會的影響，南方的許多地方年初也興起滑雪和滑冰了。這雪當然不是從南方暖洋洋的天空降下來的，也并非源于美麗的北國雪鄉(xiāng)。真實的情況是，如果需要，溫暖的南方也是可以造雪的！這或許只是一個costly decision, 正如卡塔爾人可以選擇將他們寬敞的露天足球場通過空調維持在攝氏20度。的確，一些看上去并不合理的事情，在特殊情況下為了特定的目的，是可以發(fā)生的。同樣的，在生命活動與疾病發(fā)生過程中，面臨著許多命運決定 （Fate decision）的重要時刻，而細胞的每一次 “決定” 幾乎都是精致的利己主義行為，一定有其合理性的一面。我們有理由相信，在諸如多能性獲得、胚胎發(fā)育以及腫瘤發(fā)生等重要的關口，細胞 “決定” 將能量工廠的全套設備“集體搬家”，一定有其深刻的內涵，值得深入研究。

有一些非常有趣的問題值得進一步探討：1）還有誰在搬家，為什么搬家，又是如何搬家的？2）他們搬過來就不走了嗎？相對于線粒體內穩(wěn)定舒適的家，核內的新家又在哪里？3）他們會不會從老家（核糖體）出發(fā)直奔新家（細胞核），而無需經由工廠（線粒體）轉車？

參考文獻

  1. Ying, Z. et al. Transient activation of mitoflashes modulates nanog at the early phase of somatic cell reprogramming. Cell Metabolism 23,  220-226 (2016).   2. Ying, Z. et al. Short-term mitochondrial permeability transition pore opening modulates histone lysine methylation at the early phase of somatic cell reprogramming. Cell Metabolism 28, 935-945 e935 (2018).   3. Li, L. et al. Glis1 facilitates induction of pluripotency via an epigenome-metabolome-epigenome signalling cascade. Nat Metabolism 2, 882-892 (2020).   4. Wu, Y. et al. Plin2-mediated lipid droplet mobilization accelerates exit from pluripotency by lipidomic remodeling and histone acetylation. Cell Death Differetiation (2022).   5. Keshi et al. Phospholipid remodeling is critical for stem cell pluripotency by facilitating mesenchymal-to-epithelial transition. Science Advances 5, eaax7525 (2019).   6. Wu, Y. et al. Srebp-1 Interacts with c-Myc to enhance somatic cell reprogramming. Stem Cells 34, 83-92 (2016).   7. Sutendra, G. et al. A nuclear pyruvate dehydrogenase complex is important for the generation of acetyl-CoA and histone acetylation. Cell 158, 84-97 (2014).   8. Li, W. et al. Nuclear localization of mitochondrial TCA cycle enzymes modulates pluripotency via histone acetylation. Nature Communications Dec 02 2022 online, https://doi.org/10.1038/s41467-022-35199-0   （可上下滑動閱覽）      

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網址: 專家點評Nature子刊｜劉興國組揭示線粒體TCA酶入核調控多能性的全新模式 http://m.u1s5d6.cn/newsview235883.html