2022年12月2日，Nature子刊《自然通訊》（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?；{(diào)控多能性）。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(zhuǎn)變以及轉(zhuǎn)變?yōu)槿芨杉毎冗^程中均存在從線粒體轉(zhuǎn)運到細胞核的現(xiàn)象，并且核定位TCA循環(huán)酶調(diào)控上述過程。核定位丙酮酸脫氫酶 (Pdha1) 能促進細胞核內(nèi)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(guān)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(diào)控多能性的重要作用，拓展了線粒體反向信號調(diào)控干細胞多能性的新模式。

　　哺乳動物細胞內(nèi)，存在兩個具有遺傳物質(zhì)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(xué)和發(fā)育生物學(xué)研究中受到了極大的關(guān)注。胚胎干細胞(embryonic stem cell, ESCs)及誘導(dǎo)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(chǎn)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)地闡明了線粒體氧離子調(diào)控組蛋白甲基化與DNA甲基化，線粒體代謝產(chǎn)物調(diào)控組蛋白乳酸化、乙?；?，線粒體磷脂調(diào)控組蛋白乙酰化及基因表達等一系列通過反向信號模式調(diào)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(nèi)最普遍存在的代謝途徑，是物質(zhì)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(guān)鍵。TCA循環(huán)酶在一些惡性腫瘤細胞中能從線粒體轉(zhuǎn)運到細胞核內(nèi)發(fā)揮DNA修復(fù)和表觀遺傳調(diào)控的作用。然而，TCA循環(huán)酶在多能性獲得與轉(zhuǎn)變中時空調(diào)控的規(guī)律和作用還完全不清楚。

　　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(zhuǎn)變（Primed-Naive轉(zhuǎn)變）、轉(zhuǎn)變?yōu)槿芨杉毎‥SCs-類二細胞期細胞（2CLCs）轉(zhuǎn)變）。在以上過程，均發(fā)現(xiàn)線粒體內(nèi)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(zhuǎn)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-Naive轉(zhuǎn)變。另外核定位的Pdha1還能促進ESCs向2CLCs的轉(zhuǎn)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。

　　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(nèi)乙酰輔酶A的合成為組蛋白乙酰化提供反應(yīng)底物，促進組蛋白H3乙酰化, 尤其是H3K9及H3K27兩個位點的乙?；揎椝健＿M一步研究發(fā)現(xiàn)，核定位Pdha1能促進多能性相關(guān)基因的轉(zhuǎn)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(biāo)（多能性基因）的結(jié)合，并促進多能性相關(guān)基因染色質(zhì)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?；?/span>、巴豆酰化、丁?；揎椀鹊难芯刻峁┝诵碌难芯克悸?/span>，這些修飾也依賴于線粒體產(chǎn)生的代謝物。本研究描述了多個 TCA 循環(huán)酶的轉(zhuǎn)運入核。除了Pdha1 外，其他TCA 循環(huán)酶也可能在調(diào)節(jié)細胞核中的表觀遺傳學(xué)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(fù)雜代謝循環(huán)，并調(diào)控多種表觀遺傳途徑。

　　本研究闡明的Pdha1轉(zhuǎn)運入核為組蛋白乙?；峁┚植?/span>乙酰輔酶 A，是一種全新的通過活躍的組蛋白乙酰化維持染色質(zhì)開放狀態(tài)的新途徑。這一途徑對于多能性至關(guān)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(zhì)結(jié)構(gòu)、過度活躍的組蛋白乙?；蛷难趸姿峄?/span>無氧糖酵解的代謝轉(zhuǎn)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(zhì)的海洋，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(zhǔn)的對應(yīng)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(jié)出新鮮茂密的“紅豆”，并使局部的核小體松散。正是：“一種思念上蘭舟，二處閑愁寄紅豆。三羧酸酶知我意，四雙化作核體柔”。

　　本研究與香港中文大學(xué)合作完成。獲得國家重點研發(fā)項目、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院、廣東省和廣州市的經(jīng)費支持。

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