廣東科研團隊《自然》刊文，揭示細胞命運調控的「蝴蝶效應」

一隻南美洲亞馬遜河流域熱帶雨林中的蝴蝶扇動幾下翅膀，可能兩周後會在美國德克薩斯引起一場龍捲風，這就是著名的蝴蝶效應。你是否知道，人體內細胞命運調控也有類似現象？中科院廣州生物醫藥與健康研究院科學家團隊日前發表的最新研究成果，便揭示了人體內的「蝴蝶效應」。

8月24日，國際權威期刊《自然》子刊《自然·代謝》（Nature Metabolism）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的最新研究成果，發現了多能幹細胞命運調控的「表觀組—代謝組—表觀組」跨界蝴蝶效應。

劉興國。

「在真核細胞內有兩個具有遺傳物質的細胞器：線粒體與細胞核，已有跨越20億年的『愛戀』。它們在一個細胞內共生共存、相戀相依，促成地球上誕生了真核生物，演化出燦爛的生命和智慧。」劉興國團隊成員介紹，進化過程中細胞核保存了很多線粒體的基因，使線粒體成為細胞的能量提供者。

然而，反過來，線粒體如何調控細胞核是一直未回答的基本科學問題。

「誘導多能幹細胞（iPSC）技術具有疾病模型、移植治療的臨床應用意義，同時為細胞轉換機理研究提供了良好模型。」劉興國團隊獨闢蹊徑，選取新穎視角，以iPSC為模型，通過系統研究線粒體對細胞核的表觀遺傳調控，揭示細胞命運決定的全新模式。

團隊最新發布的研究成果，從離子、組分、代謝等多個角度系統描述了線粒體重塑與細胞核重編程的「曠世奇緣」，對多能性調控過程中的諸多重要問題，提供了全新的研究視角。

據介紹，該研究著眼於被稱為「Yamanaka第五因子」的Glis1，這一母系轉錄因子只在卵子和受精卵中表達。研究團隊首先發現Glis1不僅促進正常細胞重編程，而且實現了衰老細胞重編程，進一步發現由Glis1得到的iPSC基因組更加穩定。這些表明Glis1是一個強有力的細胞命運決定因子。

在此基礎上，研究團隊運用多組學技術，全面解析並歸納了Glis1介導多能性獲得的獨特3階段途徑——「表觀組—代謝組—表觀組」跨界級聯反應。

多能幹細胞命運調控的「表觀組—代謝組—表觀組」跨界蝴蝶效應示意圖。

具體而言，在階段1隨機階段，在Glis1的作用下開啟糖酵解基因的表達。隨之而來的「化蛹成蝶」階段，細胞從線粒體氧化磷酸化到糖酵解的代謝重塑過程得到促進，產生更多的代謝物：乙醯輔酶A和乳酸。這兩類代謝物是代謝與表觀遺傳聯繫的關鍵分子。在階段3決定階段，在兩類代謝物調控下，在染色質水平打開並促進基因轉錄表達，加速了多能性的獲得。

「化蛹成蝶階段通過獨特的代謝重塑連接階段1和3，來實現表觀基因組信號的級聯擴增。轉錄因子Glis1猶如蝶戀花的『微風』，引發全基因組水平多能性的『龍捲風』，頗似蝴蝶效應。」劉興國說。

據了解，本研究提出細胞命運調控的跨界級聯反應概念，具有廣泛的生理病理意義。從亞細胞水平出發，這一研究方向的未來工作可望進一步拓寬細胞命運決定的新模式，並在臨床轉化中實現新應用。

【記者】卞德龍

【通訊員】黃博純

【作者】 卞德龍

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