EMBO R | 秦宝明团队揭示mTORC1-eIF4F通路在胚胎干细胞自我更新和多能性维持中的作用

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关键词：细胞揭示

资讯来源：BioArt

发布时间： 2021-12-12

胚胎干细胞（embryonic stem cell, ESC）具有自我更新（self-renewal）和多能性（pluripotency）这两大重要特征【1】。这两个特征在体内胚胎发育早期对应的阶段都是瞬时存在的。ESC体外建系的过程是胚胎早期细胞在维持多能性的同时获得了几乎无限的增殖能力，即自我更新。早年研究显示，这两大特征相互依存，即多能性维持机制与细胞周期调控之间存在紧密的协同关系。然而近年来一系列新的研究发现，自我更新很大程度上是独立调控的。敲除或阻断Myc【2】、MOF【3】、mTOR【4】等能引发体外胚胎发育以及ESC“pause”（暂停），即细胞增殖停止但多能性维持不变。这一现象在自然界中与哺乳动物胚胎发育中普遍存在的“diapause”（滞育）相对应【5】。利用pause，我们可以在胚胎及ESC基因编辑中更加方便地开展实验，甚至有可能建立新的效率更高的相关技术。而深入认识这一特征的调控机制，我们有可能特异性地激活ESC的自我更新并维持多能性不变，这将有助于多能干细胞（PSC）的规模化扩增或生产，推动PSC的基础研究和应用。

2016年，Bulut-Karslioglu等发现在ESC中抑制雷帕霉素机制受体（mechanistic target of rapamycin, mTOR）引发pause，这一作用主要来自包括全基因组转录在内的多个层面的抑制【4】。众所周知，mTOR形成两个蛋白构成和功能迥异的复合物，即mTOR复合物1（mTORC1）和mTOR复合物2（mTORC2）来发挥功能，Bulut-Karslioglu等发现两个复合物都参与调控自我更新。然而来自基因敲除小鼠的表型显示，mTOR敲除导致囊胚发育阻断在E5.5天【6,7】，而mTORC1的失活（Raptor敲除）在同一时间引发胚胎致死，而mTORC2失活（Rictor敲除）则明显更晚引发致死【8】。这提示在胚胎早期发育中mTORC1比mTORC2发挥更为重要的作用。因此，mTOR调控ESC自我更新是通过哪个复合物以及具体机制如何等问题都还尚不清楚。

中国科学院广州生物医药与健康研究院秦宝明研究员所带领的代谢与细胞命运实验室，此前致力于研究体细胞重编程早期细胞和代谢重塑的作用和发生机制，曾发现mTORC1介导的生物合成的关闭而非自噬降解的激活是这些重塑过程得以发生以及诱导多能干细胞（iPSC）得以建立的主要原因【9,10】。

2021年12月6日，秦宝明实验室（博士研究生徐雪婷为第一作者）在EMBO Reports期刊发表了题为The mTORC1-eIF4F axis controls paused pluripotency的研究论文，揭示mTORC1-eIF4F通路在胚胎干细胞自我更新和多能性维持中的作用。

在该工作中，研究人员发现mTOR调控mESC自我更新主要来自mTORC1的作用，具体机制与全基因组转录无关，而主要通过翻译起始复合物eIF4F（eukaryotic translation initiation factor 4F）协同调控细胞质和线粒体的蛋白翻译来实现。因此，内源mTORC1在mESC中维持自我更新而不参与维持多能性。此外，该研究还发现在经典的血清培养条件下，eIF4F还调控多能性蛋白的翻译，这一作用依赖于MEK/ERK通路，而与mTORC1无关（如下示意图）。

综上，该成果以mTORC1为切入点，报道了翻译起始调控在ESC自我更新和多能性维持中的作用。值得一提的是，该研究还发现敲降 mTORC1-eIF4F通路中的抑制因子4EBP1/2能显著加速ESC的增殖，说明eIF4F是ESC自我更新的限速调控环节，进一步提示仅仅通过干预eIF4F就可能达到对ESC自我更新的全速域调控。拓展到成体干细胞或功能细胞前体这个范畴，目前这类细胞在体外几乎都无法像ESC那样实现长期稳定扩增，如何激活这类细胞的自我更新同时维持其分化潜能具有重要价值。在机体水平，特异性地刺激体内干细胞的稳态维持，即在体内干细胞反复再生过程中依然维持良好的分化潜能，将对克服疾病和衰老具有重大意义。

原文链接：

https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embr.202153081

制版人：十一

参考文献

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2. Scognamiglio R, Cabezas-Wallscheid N, Thier MC, Altamura S, Reyes A, Prendergast AM, Baumgartner D, Carnevalli LS, Atzberger A, Haas S, et al (2016) Myc depletion induces a pluripotent dormant state mimicking diapause. Cell 164: 668-680.

3. Khoa LTP, Tsan YC, Mao F, Kremer DM, Sajjakulnukit P, Zhang L, Zhou B, Tong X, Bhanu NV, Choudhary C, et al (2020) Histone acetyltransferase MOF blocks acquisition of quiescence in ground-state ESCs through activating fatty acid oxidation. Cell Stem Cell 27: 441-458 e10.

4 Bulut-Karslioglu A, Biechele S, Jin H, Macrae TA, Hejna M, Gertsenstein M, Song JS, Ramalho-Santos M (2016). Inhibition of mTOR induces a paused pluripotent state. Nature 540(7631): 119-123.

5. Renfree MB, Fenelon JC (2017) The enigma of embryonic diapause. Development 144: 3199-3210.

6. Gangloff YG, Mueller M, Dann SG, Svoboda P, Sticker M, Spetz JF, Um SH, Brown EJ, Cereghini S, Thomas G, et al (2004) Disruption of the mouse mTOR gene leads to early postimplantation lethality and prohibits embryonic stem cell development. Mol Cell Biol 24: 9508-16.

7. Murakami M, Ichisaka T, Maeda M, Oshiro N, Hara K, Edenhofer F, Kiyama H, Yonezawa K, Yamanaka S (2004) mTOR is essential for growth and proliferation in early mouse embryos and embryonic stem cells. Mol Cell Biol 24: 6710-8.

8. Guertin DA, Stevens DM, Thoreen CC, Burds AA, Kalaany NY, Moffat J, Brown M, Fitzgerald KJ, Sabatini DM (2006) Ablation in mice of the mTORC components raptor, rictor, or mLST8 reveals that mTORC2 is required for signaling to Akt-FOXO and PKCalpha, but not S6K1. Dev Cell 11: 859-71.

9. Wu YS, Li Y, Zhang H, Huang YH, Zhao P, Tang YJ, Qiu XH, Ying Y, Li W, Ni S, et al (2015) Autophagy and mTORC1 regulate the stochastic phase of somatic cell reprogramming. Nat Cell Biol 17: 715-725.

10. Wang LL, Xu XT, Jiang C, Ma G, Huang YH, Zhang H, Lai YW, Wang M, Ahmed T, Lin RX, et al (2019) mTORC1-PGC1 axis regulates mitochondrial remodeling during reprogramming. FEBS J 287: 108-121.

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