北京时间10月18日，国际学术期刊Cell Stem Cell在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）隋鹏飞研究组的最新研究成果“ Mitochondrial pyruvate carriers control airway basal progenitor cell function through glycolytic-epigenetic reprogramming”。该项研究通过整合气道基底细胞分化过程中的转录组、代谢组和表观遗传组数据，结合体内谱系追踪与类器官培养模型，发现线粒体丙酮酸转运体通过糖酵解与表观遗传重编程的方式调控气道基底干细胞功能，阐明了线粒体代谢在指导干细胞命运决定中的核心角色，为临床治疗呼吸道相关疾病提供了新的思路。
基底细胞是气道中的干细胞群体，具有增殖和分化为其他上皮细胞的能力，在呼吸道上皮稳态维持和损伤修复中发挥着重要作用。其功能紊乱会导致严重的呼吸道疾病，如慢性阻塞性肺病（COPD）。COPD患者气道上皮表现出病理重塑表型，包括基底细胞增生、纤毛细胞减少和过渡态细胞积累。同时，研究表明COPD患者的气道基底细胞中线粒体结构异常，提示线粒体代谢紊乱可能是导致气道基底细胞功能异常并引发呼吸道疾病的重要原因。但其中的分子机制尚不明确。因此，靶向线粒体代谢，探索并揭示其在调节气道基底干细胞功能及命运决定中的作用具有重要意义。 为了探究基底细胞参与气道上皮修复的分子机制，研究人员分离小鼠气道基底细胞进行体外气-液界面（ALI）培养模拟气道上皮修复进程。在ALI培养的第1、3和5天，分别对应上皮修复过程中的基底细胞增殖、上皮祖细胞形成及腔体细胞特化的三个关键阶段，收获细胞进行转录组测序及胞内代谢流检测。结果表明，上皮修复过程中伴随着胞内代谢特征转变。早期重建阶段中，基底细胞表现出强烈的糖酵解反应。而在谱系特化过程中，胞内的氧化磷酸化水平增加，TCA循环相关生理活性增强，同时线粒体丙酮酸转运体Mpc2基因表达水平上升。 基底细胞分化过程伴随胞内代谢重塑 随后，研究人员通过体外类器官培养及连续传代实验发现，抑制MPC活性能够有效抑制基底细胞的分化，维持其干性水平，促进其长期体外扩增。进一步构建基底细胞中Mpc2基因敲除小鼠模型，发现稳态条件下，Mpc2敲除促进基底细胞增殖，减缓上皮系统的更新效率。损伤条件下，敲除Mpc2阻碍上皮修复进程，基底细胞无法分化为功能性上皮细胞，分化过程停滞在KRT5+KRT8+及KRT13+中间过渡状态。这就提示线粒体丙酮酸代谢在调节基底细胞功能中的重要作用。 基底细胞中Mpc2敲除干扰气道上皮稳态维持及损伤修复 为了深入理解丙酮酸代谢调节基底细胞功能的具体机制，研究人员利用LC-MS和Cut-Tag技术，详细分析了Mpc2基因敲除对基底细胞中代谢和表观遗传重塑的影响。研究结果表明，Mpc2基因敲除导致基底细胞中柠檬酸含量下降，进而减少胞内乙酰辅酶A的合成，最终通过调控组蛋白乙酰化修饰影响分化相关基因的表达，从而阐明以线粒体丙酮酸代谢为核心，连接胞内代谢与表观遗传重编程的调控环路。 MPC通过表观遗传重塑调节基底细胞功能 为了探讨胞内代谢与经典信号通路之间的关系，研究人员通过体外类器官培养以及Yap和Mpc2双敲除突变体小鼠模型，发现Mpc2基因敲除能够有效阻止Yap敲除导致的基底细胞过度分化，恢复气道上皮中基底细胞的数量。基于此，研究人员进一步通过靶向胞内代谢的回补实验表明，通过加入外源柠檬酸，重塑胞内丙酮酸-柠檬酸的代谢过程，不仅能够有效回复YAP过度激活导致的基底细胞的分化抑制表型，还能显著提高慢性肺阻塞疾病（COPD）患者气道基底细胞的分化效率，促进病理性基底细胞向功能性AcTub+纤毛细胞分化。 靶向丙酮酸代谢纠正异常的基底细胞状态 综上，该项研究揭示了线粒体丙酮酸代谢在调节气道基底细胞命运决定中的重要作用，阐明了胞内代谢与表观遗传修饰的联合调控机制。靶向干预丙酮酸-柠檬酸代谢过程，能够纠正异常的气道基底干细胞状态，为今后临床呼吸道相关疾病的治疗提供新的思路。 线粒体丙酮酸转运体整合糖酵解-表观遗传重塑调控气道基底干细胞功能
分子细胞卓越中心隋鹏飞研究员和上海市第六人民医院任涛教授为该论文的共同通讯作者。分子细胞卓越中心博士生李雅雯、何亚琳及上海市第六人民医院博士生郑琦为该论文的共同第一作者。本研究也得到分子细胞卓越中心朱学良研究员、柳欣研究员、周小龙研究员、王广川研究员及袁怀瑞研究员的大力支持。该研究得到科技部重点研发计划组织器官损伤修复的细胞基础及关键因子等项目资助。该研究得到分子细胞卓越中心动物实验技术平台、细胞分析技术平台和分子生物学技术平台的大力支持。 隋鹏飞研究团队合影