网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

Nature | 肠道细胞命运的代谢密码:TCA循环酶驱动肠道干细胞命运分化的异质性机制

0
分享至

撰文|阿童木

在哺乳动物的肠道中,肠道干细胞(ISCs)位于隐窝底部,具备自我更新能力,并通过层级分化生成多种类型的肠上皮细胞【1】。ISCs的干性维持依赖于BMP、Notch和WNT等信号通路的协同调控。 ISCs分裂后形成过渡性前体细胞,随后在特定转录程序驱动下分化为吸收性和分泌性两大谱系 。吸收性谱系主要包括增殖活跃的肠上皮细胞;而分泌性谱系则涵盖潘氏细胞、杯状细胞、内分泌细胞和突细胞等,主要承担黏液分泌、免疫调节和肠道屏障等功能,对于维持肠道健康至关重要【2】。当肠道遭受损伤或处于慢性炎症状态时,ISC分化程序可能失衡,导致细胞命运紊乱和分泌性细胞数量减少,这种状态与克罗恩病、溃疡性结肠炎等炎症性肠病的发生密切相关。

细胞分化过程中伴随着代谢方式的重塑,以适应不同类型细胞的能量代谢与生物合成需求。 ISCs主要依赖糖酵解获取能量,而在分化为高增殖性的前体细胞时,其代谢逐渐转向以氧化磷酸化(OXPHOS)为主。相比之下,分泌性谱系的分化则通常伴随着线粒体电子传递链活性的降低【3】。 此外,线粒体代谢通过调控TCA循环和产生关键代谢物(如染色质修饰酶的辅底物)直接介导细胞状态的转换。

α-酮戊二酸(αKG)是TCA循环中的关键代谢中间体,由异柠檬酸脱氢酶(IDH)催化生成,随后在αKG脱氢酶复合物(OGDH)作用下转化为琥珀酰辅酶A。除了在能量代谢中扮演重要角色,αKG还是约70种αKG依赖性双加氧酶所必需的辅底物,这些酶广泛参与表观遗传调控等关键生物过程【4】。已有研究显示,提高αKG与琥珀酸的比例可增强这些酶的活性,从而促进胚胎干细胞或某些癌细胞的分化。但迄今为止,TCA循环酶类如何以组织特异性的方式影响细胞命运,仍未完全清楚。

近日,纪念斯隆-凯特琳癌症中心 Scott W. Lowe 实验室等在

Nature
杂志发表了题为
Metabolic adaptations direct cell fate during tissue regeneration
的研究文章,发现 肠道中TCA循环酶的表达具有谱系特异性:OGDH在吸收性谱系中受HNF4调控而表达上调,以满足肠上皮细胞的代谢需求;而在分泌性谱系中OGDH表达下调,增加αKG含量,促进分泌性细胞分化。在结肠炎小鼠模型中,抑制OGDH或补充αKG可改善分泌性细胞分化缺陷,加速组织修复。本研究揭示了OGDH的谱系特异性调控机制在细胞命运决定中的关键作用 。

通过分析小鼠肠道和结肠黏膜的单细胞测序数据及qPCR验证,研究发现 TCA循环酶(如OGDH)在吸收性肠细胞中表达上调,而在分泌性肠细胞中下调,反映了两种谱系的代谢需求差异 。对肠道类器官的LC-MS/MS分析进一步显示,吸收性前体细胞(pAbs)中能量和生物合成代谢物(如ATP、GDP)水平升高,而分泌性前体细胞(pSec1、pSec2)中αKG及αKG/琥珀酸比例上升,但下游TCA中间产物减少。吸收性谱系的线粒体活性增强,分泌性谱系则表现出较低的线粒体活性和氧化磷酸化水平,OGDH下调进一步提升αKG/琥珀酸比例,促进分泌性谱系分化。总之, TCA循环通过谱系特异性调控OGDH等表达,以匹配不同细胞等代谢需求,影响了肠道细胞的分化 。

作者接下来利用转基因小鼠(TRE-shOgdh)和类器官模型进一步探索了OGDH在肠道谱系分化中的作用。在富集ISC的类器官中,敲低Ogdh或补充αKG可促进干细胞向分泌性谱系分化,且不诱导细胞死亡,这与ISC依赖糖酵解的特性一致。而在富集分泌性前体(pSec)的类器官中,OGDH缺失或αKG补充同样不影响细胞增殖或存活,符合其低OGDH表达与低线粒体依赖性。相反,敲低Ogdh显著抑制吸收性前体(pAbs)的增殖并诱导细胞死亡,表明OGDH上调对吸收性肠上皮细胞功能维持至关重要。因此, OGDH表达的差异化调控使其既能通过提升αKG水平促进分泌性分化,又是维持吸收性细胞能量代谢的必要保障 。

早期研究发现,αKG通过激活TET酶(一种αKG依赖性双加氧酶)将5-甲基胞嘧啶(5mC)转化为5-羟甲基胞嘧啶(5hmC),逆转DNA甲基化,影响细胞命运【4】。作者发现,分泌性前体类器官中5hmC水平和αKG/L-2HG (L-2-羟基戊二酸,αKG依赖性双加氧酶的竞争性抑制剂)比例升高,而暴露于L-2HG会降低5hmC及分泌性谱系标志物的表达,这一表型在OGDH缺失类器官中得到重复验证,强化了αKG作用的机制支持。在吸收性前体细胞中,敲低Ogdh导致增殖停滞和细胞死亡,伴随ATP生成、呼吸容量及TCA循环中间产物(如富马酸、苹果酸)减少,AMP/ATP比例升高。碳示踪实验显示,Ogdh抑制会减少TCA循环正向氧化,诱导还原羧化和丙酮酸羧化酶活性,但无法满足吸收性前体的能量需求;补充DM-琥珀酸可部分缓解细胞死亡。这些结果凸显了 TCA循环扰动在吸收性和分泌性谱系细胞中会产生差异化影响 。

尽管TCA循环输出的谱系特异性调控可能涉及多重因素的影响,但TCA循环酶的转录变异性提示了转录因子在调控中发挥了重要作用。研究证实,HNF4在吸收性前体类器官中高表达,与分泌性谱系的5hmC阳性细胞互斥,且Ogdh启动子驱动的GFP报告实验进一步证实了HNF4对Ogdh表达的调控作用。Hnf4a/Hnf4g双敲除降低了Ogdh mRNA水平,使ISC分化偏向分泌性谱系,RNA-seq数据进一步确认了HNF4对Ogdh表达的必要性。因此, HNF4通过调节OGDH表达,维持了肠上皮细胞的能量平衡和细胞活性 。

进一步研究发现,Ogdh敲低导致小鼠体重减轻、肠梗阻、隐窝增殖减少及迟发性凋亡(6天),同时伴随HNF4α阳性细胞减少,补充DM-琥珀酸可减轻凋亡。Ogdh敲低和αKG补充均增加5hmC高表达的分泌性细胞及Spdef启动子区域的5hmC水平,促进分泌性细胞扩增和ISC耗竭。RNA-seq分析表明, Ogdh抑制降低吸收性谱系和增殖相关转录程序,而分泌性特征在Ogdh抑制和αKG补充条件下增强,凸显了OGDH在维持肠上皮细胞存活和扩增中的关键作用 。

在DSS诱导的肠道损伤模型中,OGDH表达增加、αKG和5hmC水平降低、分泌性细胞减少;这一模式与人类结肠炎患者中OGDH阳性细胞增多、分泌性细胞减少的现象一致。抑制肠道OGDH或补充DM-αKG可显著改善DSS诱导的肠损伤,表现为结肠长度恢复、溃疡和炎症因子LCN2减少,以及成熟杯状细胞数量增加。类似结果也在免疫介导型结肠炎模型中得到验证。αKG补充不仅促进分泌性细胞和5hmC水平的恢复,还可重塑正常的肠道黏膜结构。值得一提的是,αKG能够诱导ATOH1+的分泌性前体细胞发生去分化,补充ISC池并生成多种谱系的细胞。由此可见, 通过抑制OGDH或补充αKG能够促进分泌性谱系分化,加快结肠炎修复进程,并增强肠道组织的再生能力。

综上所述,本研究揭示了TCA循环在肠道细胞命运决定中的双重机制。OGDH在吸收性谱系中受HNF4上调,支持其能量和生物合成需求;而在分泌性谱系中,OGDH的下调使αKG积累,进而驱动分泌性细胞的分化。在结肠炎小鼠模型中,OGDH抑制或αKG补充均能逆转分泌性谱系分化障碍并加快组织修复。这一发现不仅明确了OGDH在细胞谱系特异性调控中的功能,还揭示了代谢重塑在组织再生与命运决定中的关键作用。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09097-6

制版人: 十一

参考文献

1. Gehart, H. & Clevers, H. Tales from the crypt: new insights into intestinal stem cells.Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol.16, 19–34 (2019).

2. McCarthy, N., Kraiczy, J. & Shivdasani, R. A. Cellular and molecular architecture of the intestinal stem cell niche.Nat. Cell Biol.22, 1033–1041 (2020).

3. Rath, E. & Haller, D. Intestinal epithelial cell metabolism at the interface of microbial dysbiosis and tissue injury.Mucosal Immunol.15, 595–604 (2022).

4. Baksh, S. C. & Finley, L. W. S. Metabolic coordination of cell fate by α-ketoglutarate-dependent dioxygenases.Trends Cell Biol.31, 24–36 (2021).

学术合作组织

(*排名不分先后)


战略合作伙伴

(*排名不分先后)

转载须知

【原创文章】BioArt原创文章,欢迎个人转发分享,未经允许禁止转载,所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利,违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

近期直播推荐

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
弃车保帅!太子集团陈志末日已到,是被“自己人”灭口的

弃车保帅!太子集团陈志末日已到,是被“自己人”灭口的

吃瓜局
2025-10-31 21:11:55
够狠!王励勤终于动真格的了,直接砍掉前主席的后花园

够狠!王励勤终于动真格的了,直接砍掉前主席的后花园

以茶带书
2026-06-21 16:00:21
紧急叫停!医生:服用瑞舒伐他汀的人,出现这6种症状必须停药

紧急叫停!医生:服用瑞舒伐他汀的人,出现这6种症状必须停药

今日养生之道
2026-10-01 19:58:38
火箭一夜4消息!乌度卡面临甜蜜烦恼 31号秀桑顿被看好成布伦森2.0

火箭一夜4消息!乌度卡面临甜蜜烦恼 31号秀桑顿被看好成布伦森2.0

锅子篮球
2026-10-01 09:28:19
33岁“草根歌手”侯浪救场李克勤爆火,4天粉丝涨到27万:更多的人认识我了,感谢3万观众给的勇气,只是一介布衣,想要活得简单一点

33岁“草根歌手”侯浪救场李克勤爆火,4天粉丝涨到27万:更多的人认识我了,感谢3万观众给的勇气,只是一介布衣,想要活得简单一点

扬子晚报
2026-10-01 08:58:20
迪拜飞以色列客机挂出7500劫持代码 结果乌龙:不是劫机是飞行员打架

迪拜飞以色列客机挂出7500劫持代码 结果乌龙:不是劫机是飞行员打架

快科技
2026-09-30 16:53:02
“这身材,其实你什么都懂!”女孩穿瑜伽裤跳傣族舞,考官看了直摇头,评论区吵起来了!

“这身材,其实你什么都懂!”女孩穿瑜伽裤跳傣族舞,考官看了直摇头,评论区吵起来了!

林林先生
2026-09-06 15:59:22
女人错过一个优质男会后悔吗?网友:后不后悔得看男生过的好不好

女人错过一个优质男会后悔吗?网友:后不后悔得看男生过的好不好

带你感受人间冷暖
2026-10-02 00:05:26
葡媒:C罗已做出不可逆的决定,不会再代表葡萄牙国家队出战

葡媒:C罗已做出不可逆的决定,不会再代表葡萄牙国家队出战

懂球帝
2026-10-01 04:50:06
库页岛有“三绝不”:绝不属于中国、绝不像俄罗斯、绝不承认过去

库页岛有“三绝不”:绝不属于中国、绝不像俄罗斯、绝不承认过去

新车知多少
2026-09-30 00:22:38
上新|| 没想到衣柜里90%的衣服都能搭的鞋,居然是这双

上新|| 没想到衣柜里90%的衣服都能搭的鞋,居然是这双

黎贝卡的异想世界
2026-09-30 00:20:52
三大外援集体出战,辽篮重磅热身,季前赛硬刚上海久事

三大外援集体出战,辽篮重磅热身,季前赛硬刚上海久事

小齐艰难度日
2026-10-01 19:42:57
陈婉珍与子女居家过中秋,何超莲晒大宅外部景观,楼高四层好气派

陈婉珍与子女居家过中秋,何超莲晒大宅外部景观,楼高四层好气派

树娃
2026-09-30 09:49:15
最新后续:图片被扒,见面当晚“景甜被摸了”?

最新后续:图片被扒,见面当晚“景甜被摸了”?

默默有话说
2026-09-29 12:48:18
第一次去对象家过夜是啥体验?网友:我觉得出去开房睡最好

第一次去对象家过夜是啥体验?网友:我觉得出去开房睡最好

带你感受人间冷暖
2026-08-19 00:05:25
5年或再关2万家,生意一落千丈!曾能轻松日赚上万的赛道失宠了?

5年或再关2万家,生意一落千丈!曾能轻松日赚上万的赛道失宠了?

财经八卦
2026-09-17 17:51:55
王曦雨2-1晋级后,没想到伊埃拉赛后这样讲,被触动了!

王曦雨2-1晋级后,没想到伊埃拉赛后这样讲,被触动了!

篮球热嗖
2026-10-01 18:51:21
不贪不占不作为

不贪不占不作为

我是历史其实挺有趣
2026-09-09 19:12:20
男子破产12年送外卖养家,这天竟收1200万汇款,追到汇款方后却傻眼

男子破产12年送外卖养家,这天竟收1200万汇款,追到汇款方后却傻眼

温情邮局
2025-08-22 11:56:14
最高检:逮捕新规下,审查逮捕阶段律师不捕辩护要点有哪些?

最高检:逮捕新规下,审查逮捕阶段律师不捕辩护要点有哪些?

周军律师聊案子
2026-10-01 17:11:10
2026-10-02 03:04:49
BioArt incentive-icons
BioArt
探索生物艺术之奥秘
11288文章数 18545关注度
往期回顾 全部

科技要闻

5999元起!华为Mate 90系列发布

头条要闻

桂林市文促会深夜发布致歉信:向阿丘诚恳致歉

头条要闻

桂林市文促会深夜发布致歉信:向阿丘诚恳致歉

体育要闻

“今天的表现,我们可以昂首离开球场”

娱乐要闻

奚梦瑶晒四太豪礼!22只龙凤镯近300万

财经要闻

智谱发上亿Token 能挽回开发者信任吗?

汽车要闻

2027款极氪001将于明年一季度上市 现款猎装同步推新配色

态度原创

亲子
健康
艺术
旅游
时尚

亲子要闻

重新拥抱亲密:产后妈妈的温柔复兴之路

刷酸祛痘,为什么有人翻车?

艺术要闻

他历尽苦难,却画出最令人心碎的女人!艾斯特凡笔下的女性,美到不敢直视!

旅游要闻

藏在黔北的小城湄潭,名字藏着古人的浪漫,读懂才知山水诗意!

在米兰,用时装唤醒内心的自我

无障碍浏览 进入关怀版