西雅圖研究人員報告稱小鼠胚胎開始形成后不久，它的一些干細胞經(jīng)歷劇烈的代謝轉(zhuǎn)變后進入下一個發(fā)展階段。這些干細胞會像癌癥細胞那樣開始消耗和生產(chǎn)能量,。
這一研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在EMBO雜志上,。
華盛頓大學的生物化學教授Hannele Ruohola-Baker,、論文主要作者表示這些發(fā)現(xiàn)不僅為干細胞研究和研究胚胎發(fā)育以及形狀的初步形成有意義,，同時也為癌癥的治有幫助療。這項研究是由西雅圖的幾個研究實驗室之間合作完成的,。
胚胎干細胞被稱為多能干細胞,，因為他們有自我更新能力，并有成為體內(nèi)任何細胞的潛力,。研究人員希望了解組成小鼠胚胎內(nèi)細胞群細胞的干細胞和外胚層或植入階段細胞之間的區(qū)別,。在外胚層階段的小鼠胚胎干細胞更接近于人類胚胎干細胞、癌細胞,。
人干細胞和小鼠外胚層干細胞比老鼠發(fā)育早期的干細胞具有較低的線粒體呼吸活性,。盡管事實上，發(fā)育后期干細胞線粒體較成熟后,，線粒體呼吸活性會降低,。研究人員證實在內(nèi)細胞群細胞轉(zhuǎn)變成外胚層細胞的過渡期間，某些基因控制線粒體細胞呼吸活性的降低,。
相反,，過渡期細胞獲得能量完全不依賴于糖、葡萄糖,。相比之下,，早期小鼠胚胎干細胞通過將線粒體呼吸動態(tài)切換到葡萄糖分解后,，能獲得更多能量。
研究人員發(fā)現(xiàn)低氧條件下激活的轉(zhuǎn)錄因子是缺氧誘導因子1α,。缺氧誘導因子1α足夠推動小鼠胚胎干細胞完全依靠糖代謝來獲取能量,。下一個挑戰(zhàn)是揭示在正常生理情況以及在癌癥情況下這種代謝轉(zhuǎn)化是否對干細胞的命運也有決定性影響。
這些代謝轉(zhuǎn)變可能會決定一些微小原始胚胎細胞的功能性命運,。這些細胞首先過渡到外胚層干細胞,，隨后演變成整個發(fā)育中的胚胎,。
研究人員解釋說在腫瘤細胞中,，糖代謝方式的轉(zhuǎn)變被稱為Warburg效應。Warburg效應能提供腫瘤細胞迅速生長和分裂所需要的能量和物質(zhì),。
研究者提出胚胎干細胞的Warburg效應可能在胚胎發(fā)育和早期胚胎的形成以及后來的器官和其他身體結(jié)構(gòu)的形成中也發(fā)揮類似作用,。
這項研究是由國立衛(wèi)生研究院的贊助支持。（生物谷：Bioon）
doi:10.1038/emboj.2012.71
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HIF1α induced switch from bivalent to exclusively glycolytic metabolism during ESC-to-EpiSC/hESC transition.
Wenyu Zhou, Michael Choi, Daciana Margineantu, Lilyana Margaretha, Jennifer Hesson, Christopher Cavanaugh, C Anthony Blau, Marshall S Horwitz, Hannele Ruohola-Baker, David Hockenbery, Carol Ware.
The function of metabolic state in stemness is poorly understood. Mouse embryonic stem cells (ESC) and epiblast stem cells (EpiSC) are at distinct pluripotent states representing the inner cell mass (ICM) and epiblast embryos. Human embryonic stem cells (hESC) are similar to EpiSC stage. We now show a dramatic metabolic difference between these two stages. EpiSC/hESC are highly glycolytic, while ESC are bivalent in their energy production, dynamically switching from glycolysis to mitochondrial respiration on demand. Despite having a more developed and expanding mitochondrial content, EpiSC/hESC have low mitochondrial respiratory capacity due to low cytochrome c oxidase (COX) expression. Similarly, in vivo epiblasts suppress COX levels. These data reveal EpiSC/hESC functional similarity to the glycolytic phenotype in cancer (Warburg effect). We further show that hypoxia-inducible factor 1α (HIF1α) is sufficient to drive ESC to a glycolytic Activin/Nodal-dependent EpiSC-like stage. This metabolic switch during early stem-cell development may be deterministic.
