葡萄糖及谷氨酰胺代謝調(diào)控干細(xì)胞命運(yùn)

高詩祺 陳小倩 汪 宇 鄭黎薇 周雅川

1.四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院兒童口腔科，四川成都 610041；2.口腔疾病研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610041；3.國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，四川成都 610041 4.四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院牙體牙髓科，四川成都 610041

干細(xì)胞向成熟體細(xì)胞分化過程中經(jīng)歷了代謝譜轉(zhuǎn)變。多能干細(xì)胞主要依賴于糖酵解氧化形成乳酸供能，分化細(xì)胞則主要依賴氧化磷酸化及三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle，TCA cycle）供能。細(xì)胞內(nèi)代謝狀態(tài)可通過表觀遺傳機(jī)制參與細(xì)胞命運(yùn)決定過程，影響細(xì)胞分化狀態(tài)。表觀遺傳學(xué)主要研究范疇包括染色質(zhì)重塑、DNA/RNA 甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA 調(diào)控與隨機(jī)染色體失活等。其中葡萄糖及谷氨酰胺代謝的中間產(chǎn)物參與DNA 甲基化、RNA 甲基化及組蛋白修飾調(diào)控。如，α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）可影響DNA、RNA 及組蛋白甲基化標(biāo)記狀態(tài)；乙酰輔酶A 及煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）可影響組蛋白乙酰化標(biāo)記狀態(tài)；黃素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，F(xiàn)AD）可影響組蛋白甲基化標(biāo)記狀態(tài)。

1 葡萄糖和谷氨酰胺代謝

葡萄糖和谷氨酰胺都是機(jī)體重要的營養(yǎng)物質(zhì)及能量代謝底物，也是生物體碳、氮元素供應(yīng)的重要來源。葡萄糖經(jīng)糖酵解分解為丙酮酸后，在氧氣供應(yīng)不足時轉(zhuǎn)化為乳酸；在氧氣供應(yīng)充足時進(jìn)入線粒體并反應(yīng)生成乙酰輔酶A。乙酰輔酶A 進(jìn)入TCA 循環(huán)，而TCA 循環(huán)衍生產(chǎn)物則可進(jìn)入氧化磷酸化途徑，為細(xì)胞生命活動提供大量能量支持[1]（圖1）。期間伴隨著α-KG、NAD+及FAD 的循環(huán)再生。葡萄糖可以糖原形式儲存能量，也可參與核苷酸和氨基酸的生物合成，維持氧化還原穩(wěn)態(tài)[1]。

谷氨酰胺可水解生成谷氨酸，再經(jīng)轉(zhuǎn)氨或脫氨反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為α-KG 進(jìn)入線粒體TCA 循環(huán)并參與三磷酸腺苷的生成[2]（圖1）。另外，谷氨酰胺的含氮基團(tuán)也可用來合成其他氨基酸和核苷酸，對機(jī)體的氮轉(zhuǎn)運(yùn)十分重要[1]。

圖1 葡萄糖與谷氨酰胺代謝示意圖

雖然葡萄糖和谷氨酰胺在細(xì)胞代謝中的貢獻(xiàn)比例尚不清楚，但在不同發(fā)育階段，兩者消耗量是嚴(yán)格平衡協(xié)調(diào)的。谷氨酰胺代謝與葡萄糖代謝相互促進(jìn)，又互為補(bǔ)充，是細(xì)胞廣泛的生理活動所必須的代謝基礎(chǔ)。

2 不同階段干細(xì)胞的葡萄糖代謝和谷氨酰胺代謝

當(dāng)干細(xì)胞進(jìn)入譜系分化程序，其分化潛力逐漸降低，代謝譜也發(fā)生變化。在干性狀態(tài)下，細(xì)胞內(nèi)糖酵解比TCA 循環(huán)及氧化磷酸化活躍，氧耗低，糖酵解相關(guān)酶的表達(dá)水平較高[3]。這種代謝狀態(tài)與細(xì)胞的生理需求相適應(yīng)。葡萄糖的不完全氧化可滿足干細(xì)胞的能量需求并為生物合成提供充足底物；細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基產(chǎn)生少，可避免DNA 和細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭破壞。分化細(xì)胞需要維持穩(wěn)態(tài)并發(fā)揮譜系特異性功能，處于高能量需求狀態(tài)。在干細(xì)胞分化過程中，能量代謝場所逐步向線粒體內(nèi)轉(zhuǎn)移，TCA 循環(huán)和氧化磷酸化被激活，以滿足巨大的能量需求[3]。抑制干細(xì)胞氧化磷酸化活動使分化延遲，解除抑制則使細(xì)胞進(jìn)入分化階段[4]。因此，細(xì)胞分化過程中，能量代謝逐漸從糖酵解向TCA 循環(huán)和氧化磷酸化轉(zhuǎn)移。

在干細(xì)胞分化過程中，谷氨酰胺代謝起重要的調(diào)節(jié)作用。阻斷谷氨酰胺代謝可抑制干細(xì)胞分化[5]。外源性添加谷氨酰胺時，腸干細(xì)胞表現(xiàn)出分化能力增強(qiáng)[6]。谷氨酰胺代謝可決定干細(xì)胞譜系分化方向：在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中，減少谷氨酰胺供應(yīng)可促進(jìn)成脂向分化，抑制成骨向分化[7]。

3 葡萄糖和谷氨酰胺代謝通過表觀遺傳學(xué)機(jī)制調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)

表觀遺傳與葡萄糖及谷氨酰胺代謝在干細(xì)胞命運(yùn)抉擇中相互作用。代謝產(chǎn)物（α-KG、Acetyl-CoA、NAD+、FAD 等）搭建起表觀遺傳與葡萄糖和谷氨酰胺代謝相互作用的橋梁（圖2）。

圖2 葡萄糖和谷氨酰胺代謝通過表觀遺傳學(xué)機(jī)制調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)

3.1 α-KG

α-KG 是TCA 循環(huán)的關(guān)鍵中間產(chǎn)物，可由葡萄糖或谷氨酰胺合成。含Jumonji 結(jié)構(gòu)域的組蛋白去甲基酶（jumonji domain-containing histone demethylases，JHDMs）、10-11 易位（ten-eleven-translocation，TET）酶家族的DNA 去甲基酶和Alkb 家族的RNA 修飾酶都依賴于輔助因子α-KG 發(fā)揮作用，稱為α-KG 依賴的雙加氧酶。因此，α-KG 可通過上述酶參與調(diào)控細(xì)胞組蛋白、DNA 和RNA 甲基化水平。

α-KG 可促進(jìn)原始態(tài)小鼠胚胎干細(xì)胞的干性維持和自我更新，也可加速始發(fā)態(tài)多能干細(xì)胞的早期分化[8]，這些結(jié)果可能與影響JHDMs 和TETs 介導(dǎo)的組蛋白及DNA 甲基化標(biāo)記水平改變相關(guān)。α-KG 可通過增強(qiáng)TETs 活性及降低DNA 甲基化標(biāo)記水平以增強(qiáng)干細(xì)胞的增殖活性，增加小鼠胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)的體積、新生小鼠的體重[9]。過表達(dá)JMJD2C 和TET1 使人胚胎干細(xì)胞保持干性并抑制分化進(jìn)程，而敲除TETs則促進(jìn)多個譜系早期分化[10]。然而，高濃度α-KG 可抑制間質(zhì)前體細(xì)胞的分化[11]。提示干細(xì)胞的類型和狀態(tài)以及α-KG 的濃度會影響α-KG 的作用。

到目前為止，4 種依賴α-KG 的雙加氧酶（ALKBH1/5/8/9）被鑒定為RNA 脫甲基酶，參與RNA 甲基化的動態(tài)修飾。ALKBH5 可逆轉(zhuǎn)成骨抑制作用，并可通過激活A(yù)KT 信號通路促進(jìn)黃韌帶細(xì)胞成骨分化[12]。抑制ALKBH5/9 對膠質(zhì)母細(xì)胞瘤干細(xì)胞增殖和致瘤能力有抑制作用[13]。由此可見，α-KG 相關(guān)的表觀遺傳修飾廣泛參與了包括腫瘤干細(xì)胞在內(nèi)的干細(xì)胞發(fā)育過程的調(diào)控。

3.2 乙酰輔酶A

乙酰輔酶A 是組蛋白乙?；ㄒ坏囊阴；w，可影響組蛋白乙?；剑瑥亩{(diào)控基因表達(dá)影響細(xì)胞的命運(yùn)。

在干細(xì)胞的早期分化過程中，細(xì)胞內(nèi)組蛋白乙?；瘶?biāo)記水平降低，這是葡萄糖衍生的乙酰輔酶A 減少導(dǎo)致的，而增加細(xì)胞內(nèi)葡萄糖衍生乙酰輔酶A 水平可以促進(jìn)增殖且抑制早期分化[14]。然而在某些研究中，乙酰輔酶A 則表現(xiàn)為促進(jìn)干細(xì)胞分化的作用[15]。

谷氨酰胺衍生乙酰輔酶A 在干細(xì)胞命運(yùn)決定中也起著調(diào)節(jié)作用。谷氨酰胺通過乙酰輔酶A 相關(guān)的表觀遺傳調(diào)節(jié)基因表達(dá)以促進(jìn)軟骨細(xì)胞分化和軟骨內(nèi)骨形成[16]。谷氨酰胺衍生的乙酰輔酶A 儲存池增大，是腫瘤細(xì)胞存活、增殖和自我更新必不可少的，且參與支持腫瘤細(xì)胞上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化、腫瘤發(fā)生和轉(zhuǎn)移[17]。綜上，乙酰輔酶A 介導(dǎo)的組蛋白乙酰化水平參與了干細(xì)胞命運(yùn)決策。

3.3 NAD+

NAD+通過糖酵解、TCA 循環(huán)和氧化磷酸實(shí)現(xiàn)再生循環(huán)，且其合成過程需要谷氨酰胺等含氨代謝物作為氨基供體。

NAD+通過調(diào)節(jié)NAD+依賴的組蛋白去乙酰酶家族（sirtuins）發(fā)揮表觀遺傳作用。Sirtuins 是干細(xì)胞存活必要條件，其異常會使胚胎發(fā)育異常甚至死亡[18]。激活SIRT1 有利于干細(xì)胞多能性維持并抑制干細(xì)胞分化，SIRT1 失活則使干細(xì)胞提前分化，這與SIRT1影響H4K16 和H3K9 乙?；嚼^而影響基因表達(dá)有關(guān)[19]。而SIRT6 的作用則相反：SIRT6 的激活介導(dǎo)H3K56 去乙?；源龠M(jìn)干細(xì)胞分化，抑制SIRT6 則有助于維持多能性[20]。研究顯示SIRT2 的下調(diào)是多能干細(xì)胞分化的重要特征[21]?？傊?，NAD+依賴的sirtuins酶在胚胎發(fā)育和干細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控的表觀遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中起著重要作用。

3.4 FAD

FAD 是賴氨酸特異性去甲基酶（lysine-specific demethylase，LSD）家族的輔助因子。LSDs 活性與FAD水平和FAD+/FADH2 相關(guān)。

LSD1 通過介導(dǎo)H3K4 去甲基化，可促進(jìn)干細(xì)胞分化過程，而抑制LSD1 則有助于維持干細(xì)胞的未分化狀態(tài)[22]。LSD1 激活使肌肉干細(xì)胞成肌向分化，而抑制LSD1 則促進(jìn)成脂向分化[23]。而對于脂肪來源的干細(xì)胞，增強(qiáng)LSD1 可保證脂肪向譜系分化，而阻斷LSD1 則促進(jìn)成骨向分化[23]。因此，LSD1 表達(dá)水平對不同干細(xì)胞的譜系分化方向的影響不盡相同。

4 治療應(yīng)用

葡萄糖及谷氨酰胺代謝相關(guān)的表觀遺傳機(jī)制為許多疾病提供了新的治療靶點(diǎn)及思路。干預(yù)代謝物及表觀遺傳相關(guān)酶，對多種腫瘤、心臟疾病及骨質(zhì)疏松等具有預(yù)防及治療意義。α-KG 通過促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖和分化，延緩老年性骨丟失和骨質(zhì)疏松癥[24]。在糖尿病性心肌病中，細(xì)胞內(nèi)NAD+下降而乙酰輔酶A 升高，組蛋白乙?；瘶?biāo)記水平升高。逆轉(zhuǎn)此代謝及表觀遺傳狀態(tài)，可以緩解心臟功能障礙[25]。乙酰轉(zhuǎn)移酶HBO1 特異性抑制劑可通過降低腫瘤干細(xì)胞H3K14 乙?；剑种颇[瘤生長，可能成為急性髓系白血病的治療靶點(diǎn)[26]。由此可見，代謝與表觀遺傳相互作用的研究成果推動了許多疾病治療的發(fā)展。

5 小結(jié)

近年來，代謝和表觀遺傳學(xué)引起了不同領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注。葡萄糖和谷氨酰胺代謝為生命活動提供底物和能量，是細(xì)胞代謝十分重要的部分。在干細(xì)胞命運(yùn)決策中，存在著葡萄糖和谷氨酰胺代謝譜的轉(zhuǎn)變。此外，關(guān)鍵中間代謝產(chǎn)物：α-KG、乙酰輔酶A、NAD+和FAD 將代謝與表觀遺傳機(jī)制聯(lián)系起來，參與細(xì)胞命運(yùn)的調(diào)控。這些研究成果也為腫瘤、心臟疾病、骨質(zhì)疏松等疾病治療提供了新思路。不難看出，在代謝與表觀遺傳調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)決定這個領(lǐng)域仍存在許多未知，例如代謝物之間的交互調(diào)節(jié)機(jī)制，代謝網(wǎng)絡(luò)在表觀遺傳調(diào)控中的平衡原則等。我們堅信隨著研究的深入，細(xì)胞命運(yùn)的內(nèi)部代謝和表觀遺傳調(diào)控的秘密終會一一揭開。