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

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

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Metabolic adaptations direct cell fate during tissue regeneration

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).

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