2022年12月2日，Nature子刊《自然通訊》（Nature Communications）在線發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”（線粒體TCA循環酶入核通過組蛋白乙?；{控多能性）。該研究發現，多種線粒體TCA循環酶在多能干細胞獲得、狀態轉變以及轉變為全能干細胞等過程中均存在從線粒體轉運到細胞核的現象，并且核定位TCA循環酶調控上述過程。核定位丙酮酸脫氫酶 (Pdha1) 能促進細胞核內乙酰CoA從而促進組蛋白乙?；揎?，并進一步打開多能性相關基因，促進多能性獲得。該研究揭示了線粒體TCA循環酶入核通過表觀遺傳調控多能性的重要作用，拓展了線粒體反向信號調控干細胞多能性的新模式。
哺乳動物細胞內，存在兩個具有遺傳物質的細胞器：細胞核與線粒體。這兩者自從大約二十億年前的相遇，開始了相戀相依的進化歷程。多能干細胞獨特的自我更新能力及分化為多種細胞類型的能力，使其在再生醫學和發育生物學研究中受到了極大的關注。胚胎干細胞(embryonic stem cell, ESCs)及誘導多能干細胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)是兩種常見的多能干細胞。多能干細胞具有特殊的表觀遺傳修飾狀態，而許多線粒體代謝產物如：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粒體氧離子調控組蛋白甲基化與DNA甲基化，線粒體代謝產物調控組蛋白乳酸化、乙?；?，線粒體磷脂調控組蛋白乙酰化及基因表達等一系列通過反向信號模式調控細胞核的全新模式。
三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle, TCA cycle)作為需氧生物體內最普遍存在的代謝途徑，是物質代謝與能量代謝的重要樞紐。線粒體TCA循環酶正常行駛功能是TCA循環維持的關鍵。TCA循環酶在一些惡性腫瘤細胞中能從線粒體轉運到細胞核內發揮DNA修復和表觀遺傳調控的作用。然而，TCA循環酶在多能性獲得與轉變中時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過程，包括多能干細胞獲得（iPSCs重編程）、始發態-原始態轉變（Primed-Naive轉變）、轉變為全能干細胞（ESCs-類二細胞期細胞（2CLCs）轉變）。在以上過程，均發現線粒體內TCA循環酶類包括Pdha1、Pcb、Aco2、Cs、Idh3a、Ogdh、Sdha、Mdh2等存在從線粒體向細胞核轉運的現象。其中，過表達核定位TCA循環酶Pdha1、Pcb、Aco2、Cs及Idh3a能促進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ESCs向2CLCs的轉變。Pdha1對多能干細胞命運的作用依賴于其丙酮酸脫氫酶活性。
劉興國團隊發現，在多能性獲得過程中，核定位TCA循環酶Pdha1不改變細胞的有氧呼吸及糖酵解動態平衡。核定位Pdha1通過促進細胞核內乙酰輔酶A的合成為組蛋白乙?；峁┓磻孜?，促進組蛋白H3乙酰化, 尤其是H3K9及H3K27兩個位點的乙酰化修飾水平。進一步研究發現，核定位Pdha1能促進多能性相關基因的轉錄起始位點及增強子區域的H3K9ac及H3K27ac水平。核定位Pdha1能促進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，并促進多能性相關基因染色質的重塑，進而促進多能性的獲得。
這一工作也為目前新的組蛋白修飾如：組蛋白棕櫚酰化、巴豆?；?/span>、丁?；揎椀鹊难芯刻峁┝诵碌难芯克悸?/span>，這些修飾也依賴于線粒體產生的代謝物。本研究描述了多個 TCA 循環酶的轉運入核。除了Pdha1 外，其他TCA 循環酶也可能在調節細胞核中的表觀遺傳學中發揮類似作用，提示細胞核中可能存在類似于線粒體中的復雜代謝循環，并調控多種表觀遺傳途徑。
本研究闡明的Pdha1轉運入核為組蛋白乙酰化提供局部乙酰輔酶 A，是一種全新的通過活躍的組蛋白乙?；S持染色質開放狀態的新途徑。這一途徑對于多能性至關重要，表明在早期發育中重要的生理意義。另一方面，腫瘤干細胞同樣表現出開放的染色質結構、過度活躍的組蛋白乙?；蛷难趸姿峄?/span>無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。
細胞核與線粒體在二十億年相戀相依中，進化很多的交流方式，其中線粒體代謝物入核作為表觀遺傳酶的輔基是重要的一種。這就像線粒體與細胞核隔著細胞質的海洋，代謝物就是那舟上相思的“紅豆”。而線粒體TCA循環酶則另辟蹊徑，作為線粒體的“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合作完成。獲得國家重點研發項目、國家自然科學基金、中國科學院、廣東省和廣州市的經費支持。
TCA循環酶入核調控多能性獲得、多能性轉變及全能性獲得模式圖
附件下載：