近日，中國科學(xué)院廣州生物醫藥與健康研究院秦寶明實(shí)驗室揭示mTOR調控胚胎干細胞自我更新的新機制，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mTOR調控mESC自我更新主要來(lái)自mTORC1的作用，具體機制與全基因組轉錄無(wú)關(guān)，而主要通過(guò)翻譯起始復合物eIF4F（eukaryotic translation initiation factor 4F）協(xié)同調控細胞質(zhì)和線(xiàn)粒體的蛋白翻譯來(lái)實(shí)現。因此，內源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)現在經(jīng)典的血清培養條件下，eIF4F還調控多能性蛋白的翻譯，這一作用依賴(lài)于MEK/ERK通路，而與mTORC1無(wú)關(guān)。

　　胚胎干細胞（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)特征在體內胚胎發(fā)育早期對應的階段都是瞬時(shí)存在的。ESC體外建系的過(guò)程是胚胎早期細胞在維持多能性的同時(shí)獲得了幾乎無(wú)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，即多能性維持機制與細胞周期調控之間存在緊密的協(xié)同關(guān)系。然而近年來(lái)一系列新的研究發(fā)現，自我更新很大程度上是獨立調控的。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），即細胞增殖停止但多能性維持不變。這一現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）相對應。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(kāi)展實(shí)驗，甚至有可能建立新的效率更高的相關(guān)技術(shù)。而深入認識這一特征的調控機制，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胞（PSC）的規?；瘮U增或生產(chǎn)，推動(dòng)PSC的基礎研究和應用。 

　　2016年，Bulut-Karslioglu等發(fā)現在ESC中抑制雷帕霉素機制受體（mechanistic target of rapamycin, mTOR）引發(fā)pause，這一作用主要來(lái)自包括全基因組轉錄在內的多個(gè)層面的抑制。眾所周知，mTOR形成兩個(gè)蛋白構成和功能迥異的復合物，即mTOR復合物1（mTORC1）和mTOR復合物2（mTORC2）來(lái)發(fā)揮功能，Bulut-Karslioglu等發(fā)現兩個(gè)復合物都參與調控自我更新。然而來(lái)自基因敲除小鼠的表型顯示，mTOR敲除導致囊胚發(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調控ESC自我更新是通過(guò)哪個(gè)復合物以及具體機制如何等問(wèn)題都還尚不清楚。 

　　該成果以mTORC1為切入點(diǎn)，報道了翻譯起始調控在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)現敲降 mTORC1-eIF4F通路中的抑制因子4EBP1/2能顯著(zhù)加速ESC的增殖，說(shuō)明eIF4F是ESC自我更新的限速調控環(huán)節，進(jìn)一步提示僅僅通過(guò)干預eIF4F就可能達到對ESC自我更新的全速域調控。拓展到成體干細胞或功能細胞前體這個(gè)范疇，目前這類(lèi)細胞在體外幾乎都無(wú)法像ESC那樣實(shí)現長(cháng)期穩定擴增，如何激活這類(lèi)細胞的自我更新同時(shí)維持其分化潛能具有重要價(jià)值。在機體水平，特異性地刺激體內干細胞的穩態(tài)維持，即在體內干細胞反復再生過(guò)程中依然維持良好的分化潛能，將對克服疾病和衰老具有重大意義。 

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

　　本研究在秦寶明研究員指導下、由廣州健康院與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合培養的博士研究生徐雪婷完成，并得到了來(lái)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(lái)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基金的資助。 

　　論文鏈接

　　廣州健康院揭示mTOR調控胚胎干細胞自我更新的新機制