综述 | TRENDS CELL BIOL：成体干细胞的代谢调控
编译：思越，编辑：谢衣、江舜尧。
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成体组织干细胞调节器官的稳态和再生，因此它在体内不断地进行着细胞命运决定，决定干细胞是否保持静息状态，进入增殖状态或分化为成熟细胞亚型。这些决定通常会整合外部因素，例如能量平衡和生物体的营养状况。现在人们认识到，表观遗传和信号通路的代谢底物和副产物在调控细胞命运的决定中具有指导作用。在这篇综述中，作者重点介绍了代谢物和饮食控制影响成体组织干细胞命运的过程。
论文ID
原名：Metabolic Regulation of Tissue Stem Cells
译名：成体干细胞的代谢调控
期刊：Trends in Cell Biology
IF:16.588
发表时间：2020年4月28日
通信作者：Heather R. Christofk
通信作者单位：加州大学洛杉矶分校
内容
1.成体组织干细胞在稳态和再生中的作用
细胞命运对于多细胞生物的发育至关重要。胚胎发育是由多潜能干细胞起始的，逐渐因为不同的细胞命运而分化为不同类型的成熟细胞。成体组织干细胞（ASCs）通常是多潜能或单潜能的，并且通过祖细胞阶段过渡后进行终末分化。这些位于特定组织的肝细胞和祖细胞对于损伤后的稳态和再生起到关键作用。在大多数哺乳动物的组织中，快速循环的组织（例如毛囊、小肠）在很大程度上依赖于ASC的稳态作用；还有部分循环速率较低的组织（如骨骼肌），只有当受到损伤时才会依赖于ASC的分化。数十年的研究集中在控制ASC中自我更新和分化之间平衡的先天发育和转录途径。此外，研究发现代谢途径也可以极大地影响细胞命运的转变。ASCs需要频繁处理有关静止、增殖或分化的决定，并根据干细胞的分化差异使用不同的能量物质。
2.表观遗传学和信号通路的代谢交互
代谢是饮食，微生物组和细胞酶促过程之间的相互作用过程，并产生维持生命所必需物质。来自饮食的内源性代谢物和营养素可直接影响表观遗传相关酶。通过影响染色质和下游的基因表达，DNA和组蛋白的表观遗传修饰可以改变细胞命运。催化这些修饰的酶分为“writers”和“erasers”，分别起到促进和抑制的作用。这些酶的大部分底物和辅助因子来自涉及三羧酸（TCA）循环，蛋氨酸循环，叶酸循环，糖酵解，β-氧化和己糖胺等代谢途径，这些途径产生激活表观遗传酶和/或充当修饰直接底物的中间体，如乙酰辅酶A，α-酮戊二酸酯（α-KG），琥珀酸酯，富马酸酯，S-腺苷甲硫氨酸（SAM），UDP-GlcNAc，酮体，NADH和FADH2等。此外，大多数染色质底物的生理浓度在酶促Km值范围内，“writers”和“erasers”对于代谢环境十分敏感，而饮食中的部分营养物质，如抗坏血酸（维生素C）、丁酸钠，也可调节染色质和DNA修饰蛋白的活性（图1A）。
这种交互作用是双向的，表观遗传的变化也可通过改变代谢基因的表达影响代谢过程。在癌症代谢领域，就出现这种现象。在白血病起始细胞中，致癌性NRAS突变、组蛋白甲基转移酶EZH2的缺失会导致支链氨基酸代谢异常激活和细胞恶性转化。在肝细胞和透明细胞肾细胞癌中，EZH2表达的增加抑制果糖1,6-双磷酸酶的表达，从而改变葡萄糖的代谢并促进肿瘤的生长。在先天性疾病中，表观遗传调控机制异常也会引起代谢功能障碍。DNA甲基化结合蛋白MECP2的突变会引起Rett综合征，这是一种X连锁神经退行性疾病并伴有脂质代谢失调。此外，营养素也可以通过调节信号传导途径的活性来影响细胞状态。mTOR复合物1（mTORC1）仅在营养物和生长因子同时存在时才调节细胞生长，精氨酸，亮氨酸和S-腺苷甲硫氨酸的消耗会阻止生长因子诱导的mTORC1激活。单磷酸腺苷活化蛋白质激酶（AMPK），在较低的细胞ATP水平下会磷酸化底物，以恢复细胞的能量平衡，并在此过程中调节细胞的生长和自噬（图1B）。此外，还有证据表明代谢产物可直接调节转录因子，转录机制本身也可能对营养物有反应（图1C）。
图1 染色质，信号通路和转录因子的代谢效应器。（A）染色质修饰酶的部分底物和辅助因子来源于三羧酸（TCA）循环，蛋氨酸循环，叶酸循环，糖酵解，β-氧化和己糖胺等代谢途径。这些代谢物与表观遗传关键物质的激活或抑制有关，如Jumonji C（JmjC）域蛋白质，DNA甲基转移酶（DNMT），组蛋白乙酰转移酶（HATs），10,11易位DNA脱甲基酶（TET）和组蛋白脱乙酰酶（HDAC）。（B）代谢物可以影响能量相关信号传导途径。当在细胞内检测到氨基酸精氨酸、亮氨酸及辅助因子S-腺苷甲硫氨酸（SAM）时，雷帕霉素复合物1（mTORC1）的靶标才能被生长因子信号激活。此外，单磷酸腺苷活化蛋白质激酶（AMPK）可以感知AMP / ADP与ATP之比反映的能量平衡关系。（C）转录因子直接被代谢物调节：色氨酸代谢物犬尿氨酸是芳烃受体的内源性激动剂；α-酮戊二酸（α-KG）结合并激活IKKβ，从而启动NF-κβ信号传导。
3.组织干细胞的命运与功能的代谢调控
ASC通常存在于组织的深处，如造血干细胞（HSC）在骨髓深处、毛囊干细胞（HFSC）存在于毛囊深处，肠干细胞（ISC）存在于肠腺的底部，肌肉干细胞（SCs）存在于骨骼肌组织的基底部分。生态位对ASC的功能有很大影响，一旦离开生态位可能会快速分裂；此外还影响ASC的代谢，一般认为，静止的干细胞状态以固有的糖酵解代谢为特征，在激活、分化过程中过渡为促进线粒体氧化磷酸化，但此过程在不同组织中涉及的代谢过程是不同的。而代谢组学可以通过鉴定不同通路的代谢产物和通量来研究这个过程。在这里，作者结合最近转录组学和蛋白质组学的研究，对新陈代谢与细胞命运的相互作用进行综述（图2）。
图2 成体组织干细胞的营养调节。（A）在毛囊干细胞（HFSC）中，线粒体丙酮酸载体1（MPC1）和乳酸脱氢酶（LDHA）调节毛发周期休止期和生长期间的平衡。（B）在肠干细胞（ISC）中，3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶（Hmgcs2）高表达且Mpc1 / 2低表达。生酮饮食和高糖饮食可调控ISC再生的过程。（C）在造血干细胞（HSC）中，HSC的再生和分化可以通过控制维生素C，A或D的水平来调节，也会因缺乏缬氨酸而限制更新。（D）肌肉干细胞/卫星细胞（SCs）。通过SIRT1依赖的方式，为成年小鼠提供NAD +前体烟酰胺核糖苷可以提高肌肉SC数量并提高功能。（E）在肝脏中，高甲硫氨酸饮食会增高血浆同型半胱氨酸水平，抑制肝切除术后肝脏再生。
3.1小肠
由十二指肠，空肠和回肠组成的小肠，是哺乳动物中自我更新最快的器官。有趣的是，小肠具有的代谢过程具有区域特异性，其中较高的脂肪酸氧化水平发生在小肠上部，并向回肠的末端逐渐减少。肠道隐窝底部的LGR5+ISC可以自我更新率较高。ISC产生祖细胞，然后经历几轮细胞分裂，并在向上移至肠绒毛时，分化为吸收性或分泌性上皮细胞。肠道中的不同类型细胞通过代谢信号进行信息交流，潘氏细胞分泌乳酸以支持ISC功能。同时，干细胞与细胞分化命运间的平衡，也会受到细胞代谢过程产物变化影响。线粒体丙酮酸载体（MPC）是使丙酮酸进入线粒体后实现丙酮酸跨物种氧化的必需物质，MPC在ISC中的表达较低，但在分化过程中会增加，MPC1亚基的遗传缺失或抑制MPC会使细胞代谢偏向糖酵解，并增加ISC增殖；而MPC1 / MPC2的过表达减少了 LGR5 +阳性数量。
最近的一项研究表明，在LGR5 +ISC中调节酮体合成的Hmgcs2酶表达十分丰富，Hmgcs2的表达降低会抑制ISC的再生，并促进潘氏细胞谱系的混杂分化，原因可能是酮体β-羟基丁酸酯可抑制I类组蛋白脱乙酰基酶，从而增强Notch信号的转录激活并维持干细胞的自我更新。在喂养生酮饮食4-6周的小鼠中，发现ISC和祖细胞数量的增加；而在饮用水中补充13％的葡萄糖可抑制肠道生酮作用，减少ISC数量并增强分化。
此外，小肠需要经常处理饮食中的营养素，从而引发对营养信号的反应。对源自患者的正常人和肿瘤人的类器官的肠道类器官进行的研究表明，维生素D的水平可以改变干细胞和分化细胞命运之间的平衡。在高脂饮食或禁食的情况下，ISC的活动（包括增殖和分化率）也会受到影响。
3.2造血系统
造血干细胞（HSCs）主要存在于骨髓中，也存在于外周血和脐带血。HSC异常扩增会导致血液系统恶性肿瘤。最近，维生素C被证明在调节HSC发展中起关键作用。维生素C除了具有抗氧化剂的作用外，它还是α-KG依赖性双加氧酶（包括TET家族DNA脱甲基酶）的辅助因子。实验发现，在无法产生内源性抗坏血酸小鼠的骨髓和脾脏中，HSC的含量更高，但补充维生素C后，观察到Tet2恢复正常并抑制白血病发生。此外，研究发现，补充抗坏血酸可以增强Tet2缺陷型HSC中的TET活性。维生素A和D也可以调节HSC的命运。维生素A可被氧化为视黄酸（RA），相比于无法分化的祖细胞，参与RA代谢的基因在HSC中转录上调。补充活性维生素D代谢物1,25（OH）D3可以增加成年斑马鱼肾骨髓中HSC的产生，并促进人脐带血中HSC的增殖。
成功的骨髓移植，首先要求通过辐射或化学疗法消除宿主HSC的生态位。研究发现，免疫受损的小鼠中，限制饮食中缬氨酸的摄入可减少HSC数量而无需通过辐射，这突显了非侵入性饮食方法促进骨髓移植的潜力。
3.3骨骼肌
肌肉干细胞（MSCs）负责维持肌肉量并在损伤后进行修复。通过对MSC单细胞研究组蛋白乙酰化标记发现，静态细胞中的乙酰化水平往往较低，在活化和增殖过程中增加，在分化开始时又下降。分化通过线粒体呼吸作用使葡萄糖利用增加，从而限制了干细胞/细胞周期相关基因上乙酰辅酶A和乙酰化标记的可用性，从而促进了成熟。另一项研究发现，静态肌肉干细胞中，高度表达脂肪酸氧化酶/转运蛋白，但退出静止状态并进入细胞周期进行增殖时，会发生代谢转变从而促进糖酵解，原因可能是增强的糖酵解消耗了SIRT1的必需代谢辅因子NAD +，而SIRT1抑制成熟的骨骼肌特异性基因以及与线粒体生物发生有关的基因的表达，通过降低SIRT1的活性，促进肌肉特异性基因的下游激活并伴随分化。动物研究发现，通过对年长大鼠饮食中补充NAD +前体烟酰胺核糖，可以以依赖性SIRT1的方式增强肌肉干细胞的数量和功能。
3.4肝
肝脏具有强大的再生能力，通过将静止的肝细胞重新进入细胞周期并增殖，可以使术后切除的肝脏恢复到原始大小。肝切除术作为常见外科手术方法，确定饮食变化是否会影响术后结局是有意义的。补充葡萄糖会损害肝脏再生，而限制热量会引起术后肝细胞增殖。蛋氨酸代谢也会影响肝脏的再生动力学。具有MAT1A基因缺失的小鼠或使用2％蛋氨酸饮食长期喂食小鼠，在肝切除后血液蛋氨酸水平升高，且影响肝脏再生，但补充叶酸可以减少超氧阴离子的产生，从而限制肝脏中同型半胱氨酸水平的升高。
3.5毛囊
毛囊干细胞（HFSC）从静止状态转变为活化状态时，会出现乳酸脱氢酶活性的增加等代谢状态的变化，而Mpc1缺失或MPC抑制剂UK-5099的局部给药会促进HFSC活化和头发生长。鉴于许多公司目前都在市场上销售膳食补充剂以促进头发生长，因此对于研究代谢物如何调节HFSC的活化将会很有意义。
4.组织干细胞和肿瘤：癌症代谢研究的总结
干细胞和癌细胞都可以再次进入细胞周期，并通过相似的合成代谢程序以促进增殖。有研究表明，代谢的变化可诱使组织干细胞向癌细胞转化，并具有组织特异性。ISC中Mpc1的遗传缺失，增加了糖酵解活性和干细胞标志物的表达，促进肠道肿瘤的形成，但在HFSC中Mpc1的缺失不足以促进体内肿瘤的形成。
鉴于ASC代谢与癌症之间的微妙关系，饮食策略也具有癌症治疗剂的潜力。补充维生素C可以抑制HSC的异常扩增并抑制白血病发生。大剂量腹腔注射维生素C，通过消耗细胞内谷胱甘肽水平并诱导ROS，限制了KRAS和BRAF突变的结直肠癌细胞生长；静脉注射维生素C可以通过诱导氧化应激减少肝癌异种移植物的生长。相反，饮食中补充维生素E或叶酸/维生素B12会增加前列腺癌和肺癌的发生率。
改变饮食中的氨基酸组成也可以限制增殖细胞中营养的获取，从而影响肿瘤的生长。低丝氨酸/甘氨酸饮食可减少结肠癌和淋巴瘤的生长，并延长生存期；四氢叶酸是核苷酸合成的关键中间体，组氨酸分解代谢消耗细胞内的四氢叶酸，因此，补充组氨酸可增强癌细胞对化疗药物甲氨蝶呤的敏感性；精氨酸水平降低是自噬缺陷导致肿瘤生长受损的基础，通过遗传，药理或饮食手段降低天冬酰胺的利用率，限制了乳腺癌转移的进程；在饮食中限制蛋氨酸的摄入，可以重塑一碳代谢，并在大肠癌和肉瘤患者的异种移植模型中具有治疗益处（图3）。此外，有研究发现，将PI3K抑制剂与生酮饮食联合用于小鼠时，会增强PI3K抑制剂的功效。综上，随着代谢，饮食和癌症进展之间的联系加强，有可能将个性化的营养策略纳入治疗计划。
评论
本文综述了代谢物和饮食控制影响成体组织干细胞命运的过程。定义组织干细胞命运与饮食和代谢控制的关系，在再生医学领域将具有重要意义。代谢途径和染色质修饰密切相关，因此许多新陈代谢的变化会影响表观遗传变化并改变基因表达。代谢领域当前的重点是研究特定代谢物和营养物质如何影响疾病的进展和治疗，而饮食控制可以通过改变ASC的命运决定来调节正常的体内平衡过程，基于精确营养以改善广泛疾病的总体健康和治疗策略是有潜力的。但同时作者也提出了一些问题：哪些组织易受代谢物诱导的细胞命运影响，组织间是否差异，除了表观遗传和营养传感信号通路以外，还有哪些机制参与且通路间如何调控，以及个体间是否存在差异性，都将是今后研究的重点。
原文网址：https://doi.org/10.1016/j.tcb.2020.04.004