近日，中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院秦寶明實(shí)驗(yàn)室揭示mTOR調(diào)控胚胎干細(xì)胞自我更新的新機(jī)制，相關(guān)成果以The mTORC1-eIF4F axis controls paused pluripotency為題于12月6日發(fā)表在EMBO Reports期刊。該工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)mTOR調(diào)控mESC自我更新主要來自mTORC1的作用，具體機(jī)制與全基因組轉(zhuǎn)錄無關(guān)，而主要通過翻譯起始復(fù)合物eIF4F（eukaryotic translation initiation factor 4F）協(xié)同調(diào)控細(xì)胞質(zhì)和線粒體的蛋白翻譯來實(shí)現(xiàn)。因此，內(nèi)源mTORC1在mESC中維持自我更新而不參與維持多能性。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)在經(jīng)典的血清培養(yǎng)條件下，eIF4F還調(diào)控多能性蛋白的翻譯，這一作用依賴于MEK/ERK通路，而與mTORC1無關(guān)。

　　胚胎干細(xì)胞（embryonic stem cell, ESC）具有自我更新（self-renewal）和多能性（pluripotency）這兩大重要特征。這兩個(gè)特征在體內(nèi)胚胎發(fā)育早期對(duì)應(yīng)的階段都是瞬時(shí)存在的。ESC體外建系的過程是胚胎早期細(xì)胞在維持多能性的同時(shí)獲得了幾乎無限的增殖能力，即自我更新。早年研究顯示，這兩大特征相互依存，即多能性維持機(jī)制與細(xì)胞周期調(diào)控之間存在緊密的協(xié)同關(guān)系。然而近年來一系列新的研究發(fā)現(xiàn)，自我更新很大程度上是獨(dú)立調(diào)控的。敲除或阻斷Myc、MOF、mTOR等能引發(fā)體外胚胎發(fā)育以及ESC“pause”（暫停），即細(xì)胞增殖停止但多能性維持不變。這一現(xiàn)象在自然界中與哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育中普遍存在的“diapause”（滯育）相對(duì)應(yīng)。利用pause，科研人員可以在胚胎及ESC基因編輯中更加方便地開展實(shí)驗(yàn)，甚至有可能建立新的效率更高的相關(guān)技術(shù)。而深入認(rèn)識(shí)這一特征的調(diào)控機(jī)制，科研有可能特異性地激活ESC的自我更新并維持多能性不變，這將有助于多能干細(xì)胞（PSC）的規(guī)?；瘮U(kuò)增或生產(chǎn)，推動(dòng)PSC的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用。 

　　2016年，Bulut-Karslioglu等發(fā)現(xiàn)在ESC中抑制雷帕霉素機(jī)制受體（mechanistic target of rapamycin, mTOR）引發(fā)pause，這一作用主要來自包括全基因組轉(zhuǎn)錄在內(nèi)的多個(gè)層面的抑制。眾所周知，mTOR形成兩個(gè)蛋白構(gòu)成和功能迥異的復(fù)合物，即mTOR復(fù)合物1（mTORC1）和mTOR復(fù)合物2（mTORC2）來發(fā)揮功能，Bulut-Karslioglu等發(fā)現(xiàn)兩個(gè)復(fù)合物都參與調(diào)控自我更新。然而來自基因敲除小鼠的表型顯示，mTOR敲除導(dǎo)致囊胚發(fā)育阻斷在E5.5天，而mTORC1的失活（Raptor敲除）在同一時(shí)間引發(fā)胚胎致死，而mTORC2失活（Rictor敲除）則明顯更晚引發(fā)致死。這提示在胚胎早期發(fā)育中mTORC1比mTORC2發(fā)揮更為重要的作用。因此，mTOR調(diào)控ESC自我更新是通過哪個(gè)復(fù)合物以及具體機(jī)制如何等問題都還尚不清楚。 

　　該成果以mTORC1為切入點(diǎn)，報(bào)道了翻譯起始調(diào)控在ESC自我更新和多能性維持中的作用。值得一提的是，該研究還發(fā)現(xiàn)敲降 mTORC1-eIF4F通路中的抑制因子4EBP1/2能顯著加速ESC的增殖，說明eIF4F是ESC自我更新的限速調(diào)控環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提示僅僅通過干預(yù)eIF4F就可能達(dá)到對(duì)ESC自我更新的全速域調(diào)控。拓展到成體干細(xì)胞或功能細(xì)胞前體這個(gè)范疇，目前這類細(xì)胞在體外幾乎都無法像ESC那樣實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定擴(kuò)增，如何激活這類細(xì)胞的自我更新同時(shí)維持其分化潛能具有重要價(jià)值。在機(jī)體水平，特異性地刺激體內(nèi)干細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)維持，即在體內(nèi)干細(xì)胞反復(fù)再生過程中依然維持良好的分化潛能，將對(duì)克服疾病和衰老具有重大意義。 

　　秦寶明研究員所帶領(lǐng)的代謝與細(xì)胞命運(yùn)實(shí)驗(yàn)室，此前致力于研究體細(xì)胞重編程早期細(xì)胞和代謝重塑的作用和發(fā)生機(jī)制，曾發(fā)現(xiàn)mTORC1介導(dǎo)的生物合成的關(guān)閉而非自噬降解的激活是這些重塑過程得以發(fā)生以及誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）得以建立的主要原因。

　　本研究在秦寶明研究員指導(dǎo)下、由廣州健康院與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生徐雪婷完成，并得到了來自中科院生物物理所秦燕教授、浙江大學(xué)易文教授、深圳大學(xué)的劉寶華教授以及健康院張小飛研究員等多位同行的幫助和支持。該工作得到了來自國家科技部、國家及廣東省自然科學(xué)基金以及廣州市等多項(xiàng)基金的資助。 

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　　廣州健康院揭示mTOR調(diào)控胚胎干細(xì)胞自我更新的新機(jī)制