葡萄糖及谷氨酰胺代謝調控干細胞命運

高詩祺 陳小倩 汪 宇 鄭黎薇 周雅川

1.四川大學華西口腔醫院兒童口腔科，四川成都 610041；2.口腔疾病研究國家重點實驗室，四川成都 610041；3.國家口腔疾病臨床醫學研究中心，四川成都 610041 4.四川大學華西口腔醫院牙體牙髓科，四川成都 610041

干細胞向成熟體細胞分化過程中經歷了代謝譜轉變。多能干細胞主要依賴于糖酵解氧化形成乳酸供能，分化細胞則主要依賴氧化磷酸化及三羧酸循環（tricarboxylic acid cycle，TCA cycle）供能。細胞內代謝狀態可通過表觀遺傳機制參與細胞命運決定過程，影響細胞分化狀態。表觀遺傳學主要研究范疇包括染色質重塑、DNA/RNA 甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA 調控與隨機染色體失活等。其中葡萄糖及谷氨酰胺代謝的中間產物參與DNA 甲基化、RNA 甲基化及組蛋白修飾調控。如，α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）可影響DNA、RNA 及組蛋白甲基化標記狀態；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記狀態；黃素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，FAD）可影響組蛋白甲基化標記狀態。

1 葡萄糖和谷氨酰胺代謝

葡萄糖和谷氨酰胺都是機體重要的營養物質及能量代謝底物，也是生物體碳、氮元素供應的重要來源。葡萄糖經糖酵解分解為丙酮酸后，在氧氣供應不足時轉化為乳酸；在氧氣供應充足時進入線粒體并反應生成乙酰輔酶A。乙酰輔酶A 進入TCA 循環，而TCA 循環衍生產物則可進入氧化磷酸化途徑，為細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，維持氧化還原穩態[1]。

谷氨酰胺可水解生成谷氨酸，再經轉氨或脫氨反應，轉化為α-KG 進入線粒體TCA 循環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也可用來合成其他氨基酸和核苷酸，對機體的氮轉運十分重要[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胞代謝中的貢獻比例尚不清楚，但在不同發育階段，兩者消耗量是嚴格平衡協調的。谷氨酰胺代謝與葡萄糖代謝相互促進，又互為補充，是細胞廣泛的生理活動所必須的代謝基礎。

2 不同階段干細胞的葡萄糖代謝和谷氨酰胺代謝

當干細胞進入譜系分化程序，其分化潛力逐漸降低，代謝譜也發生變化。在干性狀態下，細胞內糖酵解比TCA 循環及氧化磷酸化活躍，氧耗低，糖酵解相關酶的表達水平較高[3]。這種代謝狀態與細胞的生理需求相適應。葡萄糖的不完全氧化可滿足干細胞的能量需求并為生物合成提供充足底物；細胞內活性氧自由基產生少，可避免DNA 和細胞結構遭破壞。分化細胞需要維持穩態并發揮譜系特異性功能，處于高能量需求狀態。在干細胞分化過程中，能量代謝場所逐步向線粒體內轉移，TCA 循環和氧化磷酸化被激活，以滿足巨大的能量需求[3]。抑制干細胞氧化磷酸化活動使分化延遲，解除抑制則使細胞進入分化階段[4]。因此，細胞分化過程中，能量代謝逐漸從糖酵解向TCA 循環和氧化磷酸化轉移。

在干細胞分化過程中，谷氨酰胺代謝起重要的調節作用。阻斷谷氨酰胺代謝可抑制干細胞分化[5]。外源性添加谷氨酰胺時，腸干細胞表現出分化能力增強[6]。谷氨酰胺代謝可決定干細胞譜系分化方向：在骨髓間充質干細胞中，減少谷氨酰胺供應可促進成脂向分化，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機制調控細胞命運

表觀遺傳與葡萄糖及谷氨酰胺代謝在干細胞命運抉擇中相互作用。代謝產物（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機制調控細胞命運

3.1 α-KG

α-KG 是TCA 循環的關鍵中間產物，可由葡萄糖或谷氨酰胺合成。含Jumonji 結構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控細胞組蛋白、DNA 和RNA 甲基化水平。

α-KG 可促進原始態小鼠胚胎干細胞的干性維持和自我更新，也可加速始發態多能干細胞的早期分化[8]，這些結果可能與影響JHDMs 和TETs 介導的組蛋白及DNA 甲基化標記水平改變相關。α-KG 可通過增強TETs 活性及降低DNA 甲基化標記水平以增強干細胞的增殖活性，增加小鼠胚胎內細胞團的體積、新生小鼠的體重[9]。過表達JMJD2C 和TET1 使人胚胎干細胞保持干性并抑制分化進程，而敲除TETs則促進多個譜系早期分化[10]。然而，高濃度α-KG 可抑制間質前體細胞的分化[11]。提示干細胞的類型和狀態以及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 甲基化的動態修飾。ALKBH5 可逆轉成骨抑制作用，并可通過激活AKT 信號通路促進黃韌帶細胞成骨分化[12]。抑制ALKBH5/9 對膠質母細胞瘤干細胞增殖和致瘤能力有抑制作用[13]。由此可見，α-KG 相關的表觀遺傳修飾廣泛參與了包括腫瘤干細胞在內的干細胞發育過程的調控。

3.2 乙酰輔酶A

乙酰輔酶A 是組蛋白乙酰化唯一的乙酰基供體，可影響組蛋白乙酰化水平，從而調控基因表達影響細胞的命運。

在干細胞的早期分化過程中，細胞內組蛋白乙酰化標記水平降低，這是葡萄糖衍生的乙酰輔酶A 減少導致的，而增加細胞內葡萄糖衍生乙酰輔酶A 水平可以促進增殖且抑制早期分化[14]。然而在某些研究中，乙酰輔酶A 則表現為促進干細胞分化的作用[15]。

谷氨酰胺衍生乙酰輔酶A 在干細胞命運決定中也起著調節作用。谷氨酰胺通過乙酰輔酶A 相關的表觀遺傳調節基因表達以促進軟骨細胞分化和軟骨內骨形成[16]。谷氨酰胺衍生的乙酰輔酶A 儲存池增大，是腫瘤細胞存活、增殖和自我更新必不可少的，且參與支持腫瘤細胞上皮間充質轉化、腫瘤發生和轉移[17]。綜上，乙酰輔酶A 介導的組蛋白乙酰化水平參與了干細胞命運決策。

3.3 NAD+

NAD+通過糖酵解、TCA 循環和氧化磷酸實現再生循環，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+通過調節NAD+依賴的組蛋白去乙酰酶家族（sirtuins）發揮表觀遺傳作用。Sirtuins 是干細胞存活必要條件，其異常會使胚胎發育異常甚至死亡[18]。激活SIRT1 有利于干細胞多能性維持并抑制干細胞分化，SIRT1 失活則使干細胞提前分化，這與SIRT1影響H4K16 和H3K9 乙酰化水平繼而影響基因表達有關[19]。而SIRT6 的作用則相反：SIRT6 的激活介導H3K56 去乙酰化以促進干細胞分化，抑制SIRT6 則有助于維持多能性[20]。研究顯示SIRT2 的下調是多能干細胞分化的重要特征[21]。總之，NAD+依賴的sirtuins酶在胚胎發育和干細胞命運調控的表觀遺傳調控網絡中起著重要作用。

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。

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

4 治療應用

葡萄糖及谷氨酰胺代謝相關的表觀遺傳機制為許多疾病提供了新的治療靶點及思路。干預代謝物及表觀遺傳相關酶，對多種腫瘤、心臟疾病及骨質疏松等具有預防及治療意義。α-KG 通過促進骨髓間充質干細胞的增殖和分化，延緩老年性骨丟失和骨質疏松癥[24]。在糖尿病性心肌病中，細胞內NAD+下降而乙酰輔酶A 升高，組蛋白乙酰化標記水平升高。逆轉此代謝及表觀遺傳狀態，可以緩解心臟功能障礙[25]。乙酰轉移酶HBO1 特異性抑制劑可通過降低腫瘤干細胞H3K14 乙酰化水平，抑制腫瘤生長，可能成為急性髓系白血病的治療靶點[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展。

5 小結

近年來，代謝和表觀遺傳學引起了不同領域學者的關注。葡萄糖和谷氨酰胺代謝為生命活動提供底物和能量，是細胞代謝十分重要的部分。在干細胞命運決策中，存在著葡萄糖和谷氨酰胺代謝譜的轉變。此外，關鍵中間代謝產物：α-KG、乙酰輔酶A、NAD+和FAD 將代謝與表觀遺傳機制聯系起來，參與細胞命運的調控。這些研究成果也為腫瘤、心臟疾病、骨質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控細胞命運決定這個領域仍存在許多未知，例如代謝物之間的交互調節機制，代謝網絡在表觀遺傳調控中的平衡原則等。我們堅信隨著研究的深入，細胞命運的內部代謝和表觀遺傳調控的秘密終會一一揭開。