转录和代谢联动线粒体呼吸可驱动红系细
撰文
Qi
脊椎动物胚胎会产生循环红细胞（RBC），这些红细胞是氧气和二氧化碳运输所必需的。在胚胎发育过程中，可以区分出三个重叠的能产生红细胞的“造血波”。在哺乳动物中，出现在胚外卵黄囊内血岛中的原始成红细胞会产生第一个瞬时波的原始红细胞，而第二个波会在卵黄囊的造血内皮中产生确定的类红细胞-髓系祖细胞，第三波的终末红细胞来自多能造血干细胞，这些干细胞出生于主动脉-性腺-中肾区域的主动脉内皮中，并在动物的整个生命周期内维持造血功能。
原始红细胞为胚胎提供快速增殖所需的氧气，如果未能启动第一波红细胞生成则会直接导致胚胎死亡。红系分化受关键转录因子调控，但第一类红系祖细胞的产生和分化的细胞机制仍不清楚。此外，干细胞和后代祖细胞的代谢特征不同，但在细胞命运决定过程中，几乎没有体内证据表明转录调控和代谢变化之间存在联系。
近日，来自哈佛大学的LeonardI.Zon团队在Science杂志上发表了一篇题为Cell-specifictranscriptionalcontrolofmitochondrialmetabolismbyTIF1γdriveserythropoiesis的文章，这项研究发现抑制嘧啶生物合成酶二氢乳清酸脱氢酶——DHODH可以拯救缺乏转录中间因子（transcriptionalintermediaryfactor1gamma,tif1γ）的斑马鱼moonshine（mon）突变胚胎的红系分化。而这一过程依赖于DHODH与线粒体呼吸的功能联系，提示线粒体代谢在早期血细胞谱系中细胞命运决定中的关键作用。
TIF1γ对于从斑马鱼到人类的红细胞生成至关重要，斑马鱼mon突变胚胎因tif1γ缺陷而不能产生红细胞。为了揭示tif1γ依赖性红细胞生成所需的其他因素，作者首先对种具有已知生物活性的化合物进行了高含量化学抑制剂筛选，以恢复mon突变体胚胎的红细胞生成。作者使用化合物孵育胚胎，从受精后5.3小时（hpf）到22hpf，即原肠胚形成和原始红细胞生成的时间，用整胚原位杂交检测胚胎βe3globin表达（WISH）。结果显示DHODH抑制剂leflunomide或其活性代谢物A处理的mon胚胎显示βe3globin表达增加，即恢复红细胞生成。另一种结构上不同的DHODH抑制剂brequinar也同样有这样的恢复能力。作者通过建模预测斑马鱼和人类DHODH的结构是高度保守的，提示抑制DHODH活性是挽救TIF1γ依赖性红细胞生成缺陷所必需的。
由于DHODH是线粒体中嘧啶从头合成途径的唯一酶，作者研究了mon突变胚胎中线粒体代谢是否发生改变。为此，作者分别对tif1γ缺失的胚胎完成了RNA-seq和非靶向代谢组学分析，结果显示77%线粒体功能蛋白基因显著下调，且集中三羧酸（TCA）循环代谢物水平降低，进一步分析表明，TCA循环中琥珀酸/α-KG比率显著增加，组蛋白和DNA甲基化水平更高。那么这些线粒体分子水平上的改变是否会对线粒体功能产生影响呢？为此，作者进行了高通量单胚胎耗氧率（oxygenconsumptionrate,OCR）分析，缺乏tif1γ的胚胎在14hpf时表现出氧化需氧代谢的功能性降低。
DHODH通过将电子转移到电子传递链（ETC）中的CoQ来催化二氢乳酸盐氧化为乳酸盐。为了测试DHODH抑制对mon血液缺陷的恢复是否依赖于DHODH对线粒体电子传递的影响，作者用leflunomide和鱼藤酮（ETC复合物I的抑制剂）联合处理mon胚胎。鱼藤酮逆转了leflunomide对mon血液缺陷的恢复，提示DHODH的抑制作用通过其与ETC的联系从而拯救mon胚胎的血液缺陷表型（图1）。
图1.leflunomide和鱼藤酮分别或联合使用对mon胚胎βe3globin表达的影响在线粒体内膜中，电子从复合物I或II转移到复合物III的方式取决于CoQ，DHODH与ETC的复合物I和II竞争作为电子受体的CoQ（图2）。为了评价TIF1γ在CoQ生物合成途径中的作用，作者建立了稳定的人HepG2细胞系，在强力霉素控制下表达两种不同的TIF1γshRNAs（shTIF1γ）或对照shRNAs（shCtrl）中的一种。随后，作者分别通过RNA-seq和CHIP-seq分析，发现编码CoQ途径酶的几个基因在shTIF1γ-1和shTIF1γ-2敲除后显著下调，且TIF1γ与CoQ途径的基因位点结合，伴随着启动子和增强子的组蛋白修饰，这些数据提示CoQ生物合成基因是TIF1γ的直接靶点。作者推测这些变化可能与与TIF1γ在胚胎红细胞生成中的作用有关。在mon胚胎中CoQ水平显著降低，用CoQ类似物癸基泛醌处理可以挽救26%的mon胚胎中的βe3globin表达。因此，根据上述结果可以推断，在缺乏TIF1γ的情况下，线粒体呼吸能力受损，因为从复合物I和II到复合物III的电子转移不足，从而使造血中胚层的平衡状态转变为未分化的细胞状态，如果向mon胚胎提供CoQ则可促进线粒体呼吸，进而促进红系分化。
图2.DHODH与线粒体ETC的关联示意图总的来说，这项工作表明，早期红系分化所需的组织代谢状态受TIF1γ的直接转录控制，CoQ是TIF1γ转录活性的关键下游效应子，在胚胎红细胞生成中调节核苷酸合成和ETC活性之间的平衡。这一工作揭示了先前从未被报道也未被重视的线粒体作用，即线粒体呼吸可以驱动红系细胞的早期命运决定。与此同时，结合先前报道提出的转录和代谢过程之间可能的相互作用，这项研究直接给出证据，即外源性CoQ可以驱动mon突变体胚胎的红细胞分化，包括作为晚期谱系标记物的胚胎珠蛋白的表达。因此，这一研究还有一个重要意义在于，为代谢疗法提供了可能性，可以用来针对转录程序中难以治疗的缺陷情况。
原文链接：
转载请注明：http://www.abuoumao.com/hyfw/1312.html
