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中科院上海细胞所Cell子刊成果：线粒体丙酮酸代谢与表观遗传交互作用调控气道干细胞分化
Highlights
1. 在气道上皮再生过程中，细胞代谢受到动态调节
2. 线粒体丙酮酸代谢控制BC命运决定
3. MPC协调胞质柠檬酸盐代谢以调节BC功能
4. 外源性柠檬酸盐促进BCs与COPD患者的分化
近日，“Cell Stem Cell”（IF=19.8）上发表了一篇题为“Mitochondrial pyruvate carriers control airway basal progenitor cell function through glycolytic-epigenetic reprogramming”的文章。这篇文章研究了线粒体丙酮酸载体（MPC）在调节气道基底细胞（BCs）命运决定中的作用。
研究背景介绍
线粒体丙酮酸载体（MPCs）是一类蛋白质，负责将细胞质中的丙酮酸转运到线粒体中，这是细胞代谢过程中的关键步骤。丙酮酸是糖酵解过程的最终产物，它在线粒体中进一步氧化产生能量。MPCs的功能对于维持细胞能量代谢和细胞命运决定至关重要。
气道基底细胞（BCs）是呼吸道上皮的干细胞，负责在损伤后修复和再生气道上皮。它们具有自我更新和分化为多种肺泡上皮细胞类型的潜力。BCs的功能对于维持肺功能和对抗环境损伤至关重要。
研究思路分析
01细胞代谢动态与功能调控
①通过气液界面（ALI）培养系统模拟了BCs在损伤后的再生过程。研究发现，在ALI培养条件下，BCs逐渐形成了具有纤毛细胞的分层上皮结构。RNA测序分析发现在第3天时，与ATP合成、细胞呼吸和三羧酸循环等相关的代谢途径活性增强。此外，还观察到线粒体质量和功能的增加，以及细胞代谢活性的变化，表明BCs在再生早期更倾向于通过糖酵解产生乳酸，而在形成管腔细胞时更多地通过TCA循环进行代谢。表明细胞代谢在气道上皮再生中的动态调节作用。
②在研究中，丙酮酸作为糖酵解和线粒体代谢之间的关键中介，通过MPCs进入线粒体并转化为乙酰辅酶A，驱动TCA循环。使用UK5099抑制MPCs的活性，可以提高BCs的集落形成效率，但不影响类器官大小。而二氯乙酸（DCA）通过抑制丙酮酸脱氢酶激酶（PDK）促进丙酮酸转化为乙酰辅酶A，却降低了BCs的集落形成效率。
③进一步研究发现，通过UK5099处理，BCs可以在不分化的情况下长期扩增，并且保持正常的形态和标志物表达。RNA测序分析显示，通过UK5099扩增的细胞与通过双重SMAD抑制剂扩增的细胞具有相似的转录组特征，但UK5099扩增的细胞在分化相关信号通路中表现出更高的活性。表明靶向MPCs的活动可以防止BCs的自发分化，并允许其长期扩增。
02细胞代谢途径
①MPC复合体由MPC1和MPC2两个亚基组成，对线粒体丙酮酸代谢至关重要。通过ShhCre在肺上皮细胞中敲除Mpc2基因，发现这种突变小鼠在出生后能够存活并展现出正常的肺结构。但是，这些小鼠的气管BCs数量增多，形态发生变化，纤毛细胞数量减少，而其他类型的管腔细胞的数量未受影响。此外，Mpc2的缺失还导致BCs的增殖能力增强，且在稳态下气管上皮细胞的周转受到影响，粘液动力学失调，但上皮屏障功能保持正常。表明，线粒体丙酮酸代谢在维持气管上皮的正常结构和功能中起着关键作用。
②通过萘暴露损伤小鼠模型来评估Mpc2在气管上皮损伤后的再生中的必要性。结果发现，敲除Mpc2的突变小鼠在损伤后再生能力受损，纤毛细胞和棒状细胞数量减少，且突变气管上皮出现大的病变区域，病变内的上皮细胞处于从BCs向腔细胞分化的过渡状态，同时突变小鼠中KRT13+丘状细胞增加。此外，抑制MPCs可促进具有致癌突变的BC类器官的过度生长和鳞状分化。表明，Mpc2对气管上皮损伤后的再生至关重要。
03代谢调控与疾病治疗潜力
①通过分离培养对照组和Mpc2基因敲除突变小鼠的BCs，并进行质谱分析，发现Mpc2突变细胞中乳酸和丙氨酸水平升高，而柠檬酸和异柠檬酸水平降低，表明线粒体丙酮酸代谢受损。此外，Mpc2突变细胞依赖于谷氨酰胺代谢来维持细胞生长。
②研究发现SLC13A2在细胞分化过程中表达逐渐增加，抑制SLC25A1可以阻断线粒体柠檬酸运输，进而抑制BC分化。补充柠檬酸可逆转UK5099诱导的分化缺陷。在体内实验中，Acly基因敲除小鼠展现出与Mpc2敲除相似的表型，包括稳态下管腔细胞周转延迟和萘损伤后上皮再生受损，且AclyCKO突变细胞中柠檬酸和异柠檬酸积累，乙酰辅酶A减少。表明，线粒体丙酮酸代谢通过ACLY介导的细胞质柠檬酸代谢调节BC分化。
③研究显示，Mpc2基因的失活会降低细胞质中乙酰辅酶A的水平，影响BCs的分化。同位素追踪实验发现，失活Mpc2后，葡萄糖转化为乙酰辅酶A的效率降低，而谷氨酰胺的转化增加。Mpc2敲除突变细胞在分化过程中细胞质乙酰辅酶A水平降低，用组蛋白去乙酰化酶（HDACs）抑制剂伏立诺他（SAHA）能提升UK5099处理细胞的分化能力，而补充脂质则无此效果。Mpc2缺失的细胞表现出组蛋白H3乙酰化水平的降低，特别是在基因启动子区域。补充乙酸盐可以部分恢复乙酰辅酶A水平，促进Mpc2缺陷细胞的分化。表明，MPCs依赖的柠檬酸代谢通过影响组蛋白乙酰化调控BCs的分化。
④研究表明，Hippo信号通路在调节BCs功能中起着重要作用。作为下游关键效应分子的YAP的抑制会导致BCs的分化，而YAP的激活则促进BCs的扩增。实验中，使用YAP拮抗剂verteporfin（VP）可增加管腔细胞分化，但MPCs抑制剂UK5099能阻断这一效果。在Mpc2和YAP双敲除小鼠模型中，Mpc2的失活能预防YAP缺失引起的BCs分化问题。此外，外源性柠檬酸的补充能够促进具有强制激活YAP的BCs的分化，并且对COPD患者来源的BCs的分化能力有改善作用。表明，代谢重编程在细胞命运调控网络中起核心作用，外源代谢物可促进处于分化受限状态的BCs的分化。
图1. BCs在分化过程中增强了线粒体代谢
图2. 抑制MPCs抑制BC分化并促进长期BC扩增
图3. Mpc2的失活在体内扰乱了气管上皮的稳态更新
图4. MPCs通过细胞质柠檬酸代谢调节BC功能
图5. MPC依赖的表观遗传重编程控制BC分化
图6. 线粒体丙酮酸代谢是YAP介导的BCs效应所必需的
图7. Abstract
创新选题
在“线粒体和肺部疾病”领域，近年来的研究主要集中在以下几个方向：
☆肺动脉高压中的线粒体功能障碍：☆肺损伤的代谢调节☆氧化应激和线粒体 DNA 损伤
基于当前研究进展，小编推荐3类具有前景的核心研究方向：
☆在肺修复机制中靶向线粒体代谢：假设是改善线粒体功能的药物可以增强肺泡巨噬细胞的分化和功能，从而更好地修复组织。
☆研究丙酮酸代谢在肺部炎症中的作用：假设是丙酮酸脱氢酶活性的改变可以显着影响肺组织的炎症反应。
☆探索PAH中溶血和线粒体功能障碍之间的相互作用：假设是溶血增加导致游离血红素水平升高，从而加剧线粒体功能障碍并促进血管重塑。
基于上述核心方向，为大家提炼几个研究切入点：
☆“增强线粒体功能对急性肺损伤小鼠模型中巨噬细胞修复能力的影响研究”☆“通过调节丙酮酸代谢改善慢性阻塞性肺病患者肺部炎症的机制研究”☆“探讨自由血红蛋白对肺动脉高压中线粒体功能的影响及其机制”☆“利用代谢组学分析肺部感染中线粒体DNA损伤的修复机制”☆“通过靶向线粒体生物能量学改善肺部炎症反应的治疗策略研究”
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