Adv Sci | 帥領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)基于代謝調(diào)控的單倍體長期維持培養(yǎng)基

單倍體胚胎干細(xì)胞（Haploid Embryonic Stem Cells, haESCs）是一種具有單拷貝基因組特征的多能干細(xì)胞，在功能基因組學(xué)篩選、發(fā)育生物學(xué)研究、藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)及X染色體失活機(jī)制解析等領(lǐng)域 做出了突出貢獻(xiàn) 。然而，單倍體胚胎干細(xì)胞在體外常規(guī)培養(yǎng)及誘導(dǎo)分化過程中極易發(fā)生自發(fā)二倍體化， 因此 快速喪失 其 單倍體 優(yōu)勢(shì) ， 進(jìn)而 成為限制其規(guī)模化推廣與應(yīng)用的核心瓶頸。目前主流的流式分選 單倍體 富集法操作繁瑣、易損傷細(xì)胞，而基于現(xiàn)有機(jī)制開發(fā)的干預(yù)手段均會(huì)引入基因組修飾， 存在較大的基因組風(fēng)險(xiǎn)， 無法滿足 更多研究領(lǐng)域 單倍體遺傳篩選的需求。因此，開發(fā)無基因組修飾、 安全且 可長期穩(wěn)定維持單倍體特性的培養(yǎng)體系，是本領(lǐng)域亟待攻克的關(guān)鍵技術(shù)難題。

近日，南開大學(xué)帥領(lǐng)教授聯(lián)合重慶醫(yī)科大學(xué)兒童醫(yī)院童超教授、高倩副 研究員等團(tuán)隊(duì)，在 Advanced Science 在線刊發(fā)了題為Metabolic Imbalance Triggers Adaptive Remodeling to Accelerate Diploidization in Murine Haploid Embryonic Stem Cells的研究論文，揭示了線粒體功能缺陷誘導(dǎo)的代謝失衡驅(qū)動(dòng)單倍體干細(xì)胞適應(yīng)性重塑加速二倍體化的完整分子機(jī)制，并據(jù)此開發(fā)了基于代謝調(diào)控的單倍體維持培養(yǎng)基（MBH medium），為單倍體胚胎干細(xì)胞的長期穩(wěn)定培養(yǎng)提供了全新且安全的解決方案。

線粒體是細(xì)胞能量代謝的核心細(xì)胞器，其功能穩(wěn)態(tài)直接決定細(xì)胞的生存與增殖能力。研究人員發(fā)現(xiàn)，在二倍體化過程中，單倍體細(xì)胞發(fā)生了全面的線粒體功能重塑：野生型單倍體 干 細(xì)胞存在線粒體結(jié)構(gòu)異常，表現(xiàn)為形態(tài)腫脹、嵴結(jié)構(gòu)模糊，且線粒體內(nèi)活性氧水平顯著升高；而二倍體化后的細(xì)胞線粒體數(shù)量翻倍，形成完整的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，呼吸功能與ATP產(chǎn)生能力顯著增強(qiáng)。這種代謝差異導(dǎo)致單倍體細(xì)胞凋亡敏感性顯著增加，在長期培養(yǎng)過程中，具有更強(qiáng)生存優(yōu)勢(shì)的二倍體細(xì)胞逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，最終完成適應(yīng)性進(jìn)化。

為了明確調(diào)控 單倍體干細(xì)胞 二倍體化的關(guān)鍵代謝 誘因 ，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)分析了中心碳代謝通路的動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，丙酮酸-乳酸代謝軸的失衡是驅(qū)動(dòng)二倍體化的核心因素：乳酸脫氫酶A的缺失會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)丙酮酸水平異常升高，加速三羧酸循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而顯著促進(jìn)二倍體化進(jìn)程；反之，使用線粒體丙酮酸轉(zhuǎn)運(yùn)體抑制劑UK5099阻斷丙酮酸進(jìn)入線粒體，可有效抑制TCA循環(huán)活性，大幅提高長期培養(yǎng)中的單倍體細(xì)胞比例。

更進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)利用單倍體胚胎干細(xì)胞的遺傳篩選優(yōu)勢(shì)，開展了全基因組 遺傳學(xué) 篩選，以線粒體質(zhì)量為表型標(biāo)記，鑒定出 Fbxw14 、 Dapk3 等多個(gè)調(diào)控單倍體穩(wěn)定性的關(guān)鍵線粒體質(zhì)量控制基因。基于上述機(jī)制研究成果，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并開發(fā)了整合抗凋亡、糖酵解重編程和TCA循環(huán)抑制三個(gè)功能模塊的MBH培養(yǎng)基。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在MBH培養(yǎng)基中培養(yǎng)的野生型單倍體胚胎干細(xì)胞，經(jīng)過10代以上的長期傳代仍能保持極高的單倍體比例，且基因組完整性、表觀遺傳穩(wěn)態(tài)和多向分化潛能均未受到影響。

綜上所述，該研究系統(tǒng)闡明了代謝重編程驅(qū)動(dòng)單倍體胚胎干細(xì)胞自發(fā)二倍體化的分子機(jī)制，揭示了線粒體功能狀態(tài)在染色體倍性調(diào)控中的核心作用。開發(fā)的MBH代謝優(yōu)化培養(yǎng)基無需任何基因組修飾，操作簡便，可大幅降低單倍體細(xì)胞的培養(yǎng)成本與時(shí)間成本，將極大推動(dòng)單倍體干細(xì)胞在功能基因組學(xué)、藥物研發(fā)和再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。同時(shí)，該研究也為理解細(xì)胞代謝與基因組穩(wěn)定性之間的交叉調(diào)控提供了全新的理論視角。

圖 1 線粒體穩(wěn)態(tài)對(duì)單倍體胚胎干細(xì)胞自發(fā)二倍化調(diào)控的模式圖

南開大學(xué)博士研究生付羿、副教授張文豪、博士研究生張奕凡、 重慶醫(yī)科大學(xué) 兒童醫(yī)院 賀雨副主任醫(yī)師為 該 論文 的 共同第一作者。南開大學(xué)帥領(lǐng)教授、重慶醫(yī)科大學(xué)兒童醫(yī)院童超教授、 重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院 高倩 副 研究員為論文的共同通訊作者。

本文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202522570

制版人：十一

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