Cell | 吴军团队利用“强制线粒体自噬”技术揭开线粒体如何影响干细胞多能性

撰文| Qi

线粒体，这个被称为细胞“能量工厂”的细胞器，长期以来被认为是细胞代谢的核心。然而，近年来，科学家们发现它的作用远不止于此——它还在干细胞的多能性（即干细胞分化为各种细胞类型的能力）和早期胚胎发育中扮演关键角色，例如线粒体通过TCA循环产生的代谢中间物如α-酮戊二酸、乙酰辅酶A可直接影响DNA和组蛋白的修饰，从而调控基因表达【1, 2】，线粒体代谢速率可能影响不同物种的发育速度，例如小鼠和人类胚胎的发育差异可能部分归因于线粒体活性的不同【3, 4】。然而，线粒体如何精确调控多能性仍是一个未解之谜。传统研究方法（如基因敲除或药物抑制）难以完全去除线粒体，因此科学家需要更精确的工具来探索这一问题。

近日，来自美国德克萨斯大学西南医学中心的吴军团队在Cell杂志上发表了文章“Unraveling mitochondrial influence on mammalian pluripotency via enforced mitophagy”，他们利用强执行性的线粒体自噬（enforced mitophagy）技术，首次成功清除了多能干细胞（PSCs）中的线粒体，并揭示了线粒体在多能性和早期发育中的关键作用。该研究还创造了一种新型的跨物种杂交干细胞，用于探索线粒体基因组（mtDNA）的进化差异。

为了彻底清除干细胞中的线粒体，该团队采用了PINK1-PRKN通路（已知的线粒体自噬关键调控因子），并结合线粒体解偶联剂（A/O）来诱导线粒体降解。简而言之，他们在人类胚胎干细胞（hESCs）中表达Mito-EGFP（线粒体荧光标记）和mCherry-PRKN（促自噬蛋白），以实时观察线粒体清除过程，使用寡霉素（oligomycin）和抗霉素A（antimycin A）破坏线粒体膜电位，触发PRKN介导的自噬。结果显示在72小时后，97%的线粒体被清除，无线粒体的干细胞仍能短期存活（3-5天），但细胞周期停滞在G2/M期，且无法增殖。此外，多能性标志物（OCT4、SOX2、NANOG）在初期保持稳定，但几天后逐渐消失，表明线粒体对长期维持多能性至关重要。

为了探究线粒体缺失的影响，该团队进行了转录组、蛋白质组和代谢组分析，发现乙酰辅酶A和SAM（表观遗传修饰的关键底物）水平在线粒体缺失后急剧下降，TCA循环中间物（如苹果酸、延胡索酸）减少，但α-酮戊二酸和琥珀酸水平维持不变，提示细胞可能通过替代途径维持这些代谢物。 此外，线粒体编码的基因（如ETC复合物组分）几乎完全沉默，但95%的核编码线粒体基因表达未受影响，说明这些基因可能具有线粒体外的功能。

随后，该团队利用强制线粒体自噬构建了人类-类人猿（黑猩猩、大猩猩等）杂交干细胞，以研究mtDNA的进化差异。传统杂交干细胞会选择性保留人类mtDNA，但通过预先清除人类干细胞的线粒体，成功让类人猿mtDNA稳定整合，通过比较发现，两者85%序列相同，但猩猩mtDNA使细胞糖酵解增强，而人类mtDNA则促进氧化代谢，少数基因（如SURF1、TIMM17B）表达差异显著，这些基因与线粒体疾病（如Leigh综合征）相关，也就是说人类与类人猿（如黑猩猩、猩猩）的线粒体基因组功能高度保守，但细微差异仍会影响细胞代谢和基因表达。

最后，为了验证线粒体在发育中的作用，他们在小鼠胚胎中转基因表达OMM-PINK1/PRKN以降低线粒体含量。结果显示线粒体减少30%以上会导致胚胎发育延迟，线粒体严重不足（减少40%）时，胚胎无法成功植入，而适度减少（20-30%）的胚胎仍能正常发育至出生，说明发育过程对线粒体缺陷有一定容错能力。

综上，这项工作突破性地开发了线粒体清除技术，不仅揭示了线粒体在维持多能性方面的重要性，还证明了跨物种mtDNA差异虽小，却能影响细胞代谢，这可能解释了灵长类进化中的适应性变化。未来可基于此发现构建线粒体疾病的新型干细胞模型，并优化体外培养条件，提高干细胞治疗效率。

原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.05.020

参考文献：

1. Sim, E.Z., Enomoto, T., Shiraki, N., Furuta, N., Kashio, S., Kambe, T., Tsuyama, T., Arakawa, A., Ozawa, H., Yokoyama, M., et al. (2022). Methionine metabolism regulates pluripotent stem cell pluripotency and differentiation through zinc mobilization. Cell Rep. 40, 111120. https://doi.org/ 10.1016/j.celrep.2022.111120.

2. Li, W., Long, Q., Wu, H., Zhou, Y., Duan, L., Yuan, H., Ding, Y., Huang, Y., Wu, Y., Huang, J., et al. (2022). Nuclear localization of mitochondrial TCA cycle enzymes modulates pluripotency via histone acetylation. Nat. Commun. 13, 7414. https://doi.org/10.1038/s41467-022-35199-0.

3. Iwata, R., Casimir, P., Erkol, E., Boubakar, L., Planque, M., Gallego Lo´ pez, I.M., Ditkowska, M., Gaspariunaite, V., Beckers, S., Remans, D., et al. (2023). Mitochondria metabolism sets the species-specific tempo of neuronal development. Science 379, eabn4705. https://doi.org/10.1126/ science.abn4705.

4. Diaz-Cuadros, M., Miettinen, T.P., Skinner, O.S., Sheedy, D., Dı´az-Garcı´a, C.M., Gapon, S., Hubaud, A., Yellen, G., Manalis, S.R., Oldham, W.M., and Pourquie´ , O. (2023). Metabolic regulation of species-specific developmental rates. Nature 613, 550–557. https://doi.org/10.1038/s41586-022- 05574-4.

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