Cell Stem Cell｜糖酵解通过Nodal和Wnt信号调节原肠胚的胚层特化

撰文 | 风

干细胞生物学研究对于揭示细胞代谢和命运选择间的相互作用至关重要。代谢不仅满足细胞能量需求，也能通过影响翻译后修饰或表观遗传调节细胞分化【1-3】。体内研究进一步支持这一观点，也强调了代谢在胚胎发育中的重要作用。细胞代谢调节已经用于增强细胞分化效率和重编程方案【4】。因此，全面理解细胞代谢、信号和分化之间的复杂作用可以为体外组织再生开辟新途径。进一步讲，这也能指导研究遗传代谢紊乱、营养不良和孕期糖尿病等对胚胎发育的影响。最早的细胞命运决定是干细胞多能性的退出，导致内胚层、中胚层和外胚层的出现。内胚层和中胚层来源于原条（primitive streak，PS）细胞的迁移【5-6】。很多研究者关注细胞分化过程中对糖酵解和氧化磷酸化的偏好（）。多能干细胞被认为依赖糖酵解维持特征性的组蛋白乙酰化模式【7】。尽管一些研究认为代谢转换是表观遗传重塑和分化的先决条件【7-8】，但另一些研究发现向氧化代谢的转换具有胚层特异性尤其是仅发生在内胚层和中胚层【9】。因此，多能胚胎干细胞向三胚层发育的早期阶段代谢、信号和分化的关系仍不清楚。

近日，Cell Stem Cell杂志在线发表西班牙巴塞罗那欧洲分子生物学实验室Vikas Trivedi团队题为Glycolytic activity instructs germ layer proportions through regulation of Nodal and Wnt signaling的研究文章。该研究阐释糖酵解活性在调节原肠胚发育过程中内胚层和中胚层特化的指导作用，进一步强调信号通路对代谢状态的依赖性，并从机制层面解析营养供应如何调控细胞命运决定的分子逻辑。

为了检测代谢对胚层特化的影响，作者使用小鼠胚胎干细胞（mouse embryonic stem cells，mESCs）聚集体来源的类原肠胚模型模拟胚胎发育的原肠胚阶段（；）。在24-48小时，类原肠胚出现PS和早期中胚层标志物Brachyury（T/Bra）表达上调，类似于小鼠胚胎发育的E6/E6.5。在72小时，3个胚层标记物均出现，进一步培养导致类原肠胚沿着前后轴（anterior-posterior，AP）延伸。作者发现糖酵解抑制剂2-DG在24-48小时期间处理显著抑制T/Bra表达，对称性打破和轴延伸。葡萄糖剥夺或者其他糖酵解抑制剂如3溴丙酮酸和二氯乙酸盐都有类似的表型。然而，叠氮化钠（复合体IV抑制剂）、鱼藤酮（复合体I）和抗霉素A（复合体III）抑制氧化磷酸化并无上述2-DG的表型，仅会抑制类原肠胚的大小。总之，这些结果表明糖酵解在原肠胚发育中有重要作用。RNA-seq分析表明在96小时，2-DG显著降低中胚层（Hes7和Meox1）和内胚层（Sox17和Hnf1b）特异基因的表达水平。然而，神经元相关基因表达上调，如Neurog1和Fez1。此外，作者发现前轴Hox和后脑基因Hoxa2表达上调，而后轴Hox和Cdx2表达下调。这种糖酵解抑制介导的胚层比例转换也被原位杂交实验证实。总之，这些数据表明24-48小时的糖酵解抑制影响原肠运动，引起胚层比例从后轴中胚层和内胚层向前轴神经外胚层细胞倾向改变。

那么，糖酵解活性与T/Bra表达和胚层诱导的关系如何？可能是T/Bra表达需要超过糖酵解的某个阈值，也可能是糖酵解剂量依赖性促进T/Bra表达。作者发现外源葡萄糖浓度可以影响糖酵解水平。缺乏葡萄糖时，细胞完全依赖氧化磷酸化；糖酵解则随着葡萄糖浓度增加而增强，尤其是在0.02mM-0.5mM，在12.5mM时，氧化磷酸化和糖酵解来源ATP大致相等。因此，作者选择0.02mM-2.5mM之间，发现T/Bra表达呈葡萄糖剂量依赖性增强。同时，葡萄糖浓度也可以剂量依赖性促进胚层向内胚层和中胚层分化发育而抑制向神经外胚层分化发育。总之，葡萄糖可以剂量依赖性促进类原肠胚T/Bra表达以及胚层比例发育。作者在mESCs中工程化表达可以分解蔗糖为葡糖糖和果糖的SUC2，并将其与对照mESCs聚集物一起培养在无葡萄糖有蔗糖的环境发现，工程化mESCs的掺入可以逆转葡萄糖缺乏引起的类原肠胚发育。

糖酵解如何影响类原肠胚细胞发育？RNA-seq数据证实2-DG处理抑制类原肠胚Nodal、Wnt3a和Fgf信号通路，表现为T/Bra、Eomes和Dusp6等靶基因的下调。既往研究表明Nodal、Wnt3a和Fgf信号通路对于PS的诱导和维持至关重要。随后，作者在上述2-DG的糖酵解抑制实验中加入Nodal、Wnt3a和Fgf信号通路的激动剂，发现activin A（Nodal信号激动剂）和CHIR（WNT信号激动剂）可以部分逆转2-DG引起的原肠运动失败，而Fgf8（Fgf信号激动剂）并无此表型。上述实验在人胚胎干细胞（hESCs）来源类原肠胚中得到复现，提示糖酵解可能通过Wnt和Nodal信号通路促进人和小鼠类原肠胚进一步发育。进一步分析发现，Nodal激动剂的加入虽然逆转类原肠胚细胞的分化，但并不能逆转类原肠胚体积大小以及糖酵解来源的ATP产量，提示只要信号通路存在，内胚层和中胚层特化并不需要糖酵解，即糖酵解对胚层特化的影响并不需要糖酵解来源的生物能量。

为了进一步从细胞层面确认糖酵解抑制和Nodal以及Wnt激动剂对胚层特化的影响，作者使用scRNA-seq分析上述处理的类原肠胚。分析确认2-DG处理显著降低内胚层和中胚层来源的分化细胞，如心脏细胞等，而增加外胚层神经细胞的分化。相反，Nodal和Wnt激动剂的加入确实可以逆转2-DG引起的内胚层和中胚层分化缺陷。总之，这些数据从单细胞水平进一步证实糖酵解介导的Nodal和Wnt信号通路激活对胚层分化的影响。

综上所述，这项研究通过类原肠胚模型，揭示糖酵解介导的Nodal和Wnt信号通路激活对原肠胚内胚层和中胚层特化的调控作用。具体而言，糖酵解促进内胚层和中胚层细胞的分化而抑制神经外胚层细胞的分化，为代谢调节细胞命运抉择和胚胎发育提供新的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.03.011

制版人： 十一

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