2022年12月2日，Nature子刊《自然通訊》（Nature Communications）在線(xiàn)發(fā)表了中科院廣州生物醫藥與健康研究院劉興國課題組持續性工作的最新研究成果“Nuclear Localization of Mitochondrial TCA Cycle Enzymes Modulates Pluripotency via Histone Acetylation”（線(xiàn)粒體TCA循環(huán)酶入核通過(guò)組蛋白乙?；{控多能性）。該研究發(fā)現，多種線(xiàn)粒體TCA循環(huán)酶在多能干細胞獲得、狀態(tài)轉變以及轉變?yōu)槿芨杉毎冗^(guò)程中均存在從線(xiàn)粒體轉運到細胞核的現象，并且核定位TCA循環(huán)酶調控上述過(guò)程。核定位丙酮酸脫氫酶 (Pdha1) 能促進(jìn)細胞核內乙酰CoA從而促進(jìn)組蛋白乙?；揎?，并進(jìn)一步打開(kāi)多能性相關(guān)基因，促進(jìn)多能性獲得。該研究揭示了線(xiàn)粒體TCA循環(huán)酶入核通過(guò)表觀(guān)遺傳調控多能性的重要作用，拓展了線(xiàn)粒體反向信號調控干細胞多能性的新模式。

　　哺乳動(dòng)物細胞內，存在兩個(gè)具有遺傳物質(zhì)的細胞器：細胞核與線(xiàn)粒體。這兩者自從大約二十億年前的相遇，開(kāi)始了相戀相依的進(jìn)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(lèi)型的能力，使其在再生醫學(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)及誘導多能干細胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)是兩種常見(jiàn)的多能干細胞。多能干細胞具有特殊的表觀(guān)遺傳修飾狀態(tài)，而許多線(xiàn)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地闡明了線(xiàn)粒體氧離子調控組蛋白甲基化與DNA甲基化，線(xiàn)粒體代謝產(chǎn)物調控組蛋白乳酸化、乙?；?，線(xiàn)粒體磷脂調控組蛋白乙?；盎?/span>因表達等一系列通過(guò)反向信號模式調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(xiàn)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(xiàn)粒體轉運到細胞核內發(fā)揮DNA修復和表觀(guān)遺傳調控的作用。然而，TCA循環(huán)酶在多能性獲得與轉變中時(shí)空調控的規律和作用還完全不清楚。

　　劉興國團隊聚焦多能性的各個(gè)過(guò)程，包括多能干細胞獲得（iPSCs重編程）、始發(fā)態(tài)-原始態(tài)轉變（Primed-Naive轉變）、轉變?yōu)槿芨杉毎‥SCs-類(lèi)二細胞期細胞（2CLCs）轉變）。在以上過(guò)程，均發(fā)現線(xiàn)粒體內TCA循環(huán)酶類(lèi)包括Pdha1、Pcb、Aco2、Cs、Idh3a、Ogdh、Sdha、Mdh2等存在從線(xiàn)粒體向細胞核轉運的現象。其中，過(guò)表達核定位TCA循環(huán)酶Pdha1、Pcb、Aco2、Cs及Idh3a能促進(jìn)干細胞多能性的獲得及Primed-Naive轉變。另外核定位的Pdha1還能促進(jìn)ESCs向2CLCs的轉變。Pdha1對多能干細胞命運的作用依賴(lài)于其丙酮酸脫氫酶活性。

　　劉興國團隊發(fā)現，在多能性獲得過(guò)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(dòng)態(tài)平衡。核定位Pdha1通過(guò)促進(jìn)細胞核內乙酰輔酶A的合成為組蛋白乙?；峁┓磻孜?，促進(jìn)組蛋白H3乙?；?/span>, 尤其是H3K9及H3K27兩個(gè)位點(diǎn)的乙?；揎椝?。進(jìn)一步研究發(fā)現，核定位Pdha1能促進(jìn)多能性相關(guān)基因的轉錄起始位點(diǎn)及增強子區域的H3K9ac及H3K27ac水平。核定位Pdha1能促進(jìn)P300及重編程因子Sox2/Klf4/Oct4對他們下游靶標（多能性基因）的結合，并促進(jìn)多能性相關(guān)基因染色質(zhì)的重塑，進(jìn)而促進(jìn)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?；?/span>、丁?；揎椀鹊难芯刻峁┝诵碌难芯克悸?/span>，這些修飾也依賴(lài)于線(xiàn)粒體產(chǎn)生的代謝物。本研究描述了多個(gè) TCA 循環(huán)酶的轉運入核。除了Pdha1 外，其他TCA 循環(huán)酶也可能在調節細胞核中的表觀(guān)遺傳學(xué)中發(fā)揮類(lèi)似作用，提示細胞核中可能存在類(lèi)似于線(xiàn)粒體中的復雜代謝循環(huán)，并調控多種表觀(guān)遺傳途徑。

　　本研究闡明的Pdha1轉運入核為組蛋白乙?；峁┚植?/span>乙酰輔酶 A，是一種全新的通過(guò)活躍的組蛋白乙?；S持染色質(zhì)開(kāi)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出開(kāi)放的染色質(zhì)結構、過(guò)度活躍的組蛋白乙?；蛷难趸姿峄?/span>無(wú)氧糖酵解的代謝轉換，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(xiàn)粒體在二十億年相戀相依中，進(jìn)化很多的交流方式，其中線(xiàn)粒體代謝物入核作為表觀(guān)遺傳酶的輔基是重要的一種。這就像線(xiàn)粒體與細胞核隔著(zhù)細胞質(zhì)的海洋，代謝物就是那舟上相思的“紅豆”。而線(xiàn)粒體TCA循環(huán)酶則另辟蹊徑，作為線(xiàn)粒體的“信物”，到達細胞核，更加精準的對應需求，在細胞核里局部生根發(fā)芽，就地利用養料（丙酮酸）結出新鮮茂密的“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(diǎn)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)酶入核調控多能性獲得、多能性轉變及全能性獲得模式圖