廣州健康院揭示mTOR調控胚胎干細胞自我更新的新機制
近日，中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院秦寶明實驗室揭示mTOR調控胚胎干細胞自我更新的新機制，相關成果以The mTORC1-eIF4F axis controls paused pluripotency為題于12月6日發表在EMBO Reports期刊。該工作中，研究人員發現mTOR調控mESC自我更新主要來自mTORC1的作用，具體機制與全基因組轉錄無關，而主要通過翻譯起始復合物eIF4F（eukaryotic translation initiation factor 4F）協同調控細胞質和線粒體的蛋白翻譯來實現。因此，內源mTORC1在mESC中維持自我更新而不參與維持多能性。此外，該研究還發現在經典的血清培養條件下，eIF4F還調控多能性蛋白的翻譯，這一作用依賴于MEK/ERK通路，而與mTORC1無關。
胚胎干細胞（embryonic stem cell, ESC）具有自我更新（self-renewal）和多能性（pluripotency）這兩大重要特征。這兩個特征在體內胚胎發育早期對應的階段都是瞬時存在的。ESC體外建系的過程是胚胎早期細胞在維持多能性的同時獲得了幾乎無限的增殖能力，即自我更新。早年研究顯示，這兩大特征相互依存，即多能性維持機制與細胞周期調控之間存在緊密的協同關系。然而近年來一系列新的研究發現，自我更新很大程度上是獨立調控的。敲除或阻斷Myc、MOF、mTOR等能引發體外胚胎發育以及ESC“pause”（暫停），即細胞增殖停止但多能性維持不變。這一現象在自然界中與哺乳動物胚胎發育中普遍存在的“diapause”（滯育）相對應。利用pause，科研人員可以在胚胎及ESC基因編輯中更加方便地開展實驗，甚至有可能建立新的效率更高的相關技術。而深入認識這一特征的調控機制，科研有可能特異性地激活ESC的自我更新并維持多能性不變，這將有助于多能干細胞（PSC）的規模化擴增或生產，推動PSC的基礎研究和應用。
2016年，Bulut-Karslioglu等發現在ESC中抑制雷帕霉素機制受體（mechanistic target of rapamycin, mTOR）引發pause，這一作用主要來自包括全基因組轉錄在內的多個層面的抑制。眾所周知，mTOR形成兩個蛋白構成和功能迥異的復合物，即mTOR復合物1（mTORC1）和mTOR復合物2（mTORC2）來發揮功能，Bulut-Karslioglu等發現兩個復合物都參與調控自我更新。然而來自基因敲除小鼠的表型顯示，mTOR敲除導致囊胚發育阻斷在E5.5天，而mTORC1的失活（Raptor敲除）在同一時間引發胚胎致死，而mTORC2失活（Rictor敲除）則明顯更晚引發致死。這提示在胚胎早期發育中mTORC1比mTORC2發揮更為重要的作用。因此，mTOR調控ESC自我更新是通過哪個復合物以及具體機制如何等問題都還尚不清楚。
該成果以mTORC1為切入點，報道了翻譯起始調控在ESC自我更新和多能性維持中的作用。值得一提的是，該研究還發現敲降 mTORC1-eIF4F通路中的抑制因子4EBP1/2能顯著加速ESC的增殖，說明eIF4F是ESC自我更新的限速調控環節，進一步提示僅僅通過干預eIF4F就可能達到對ESC自我更新的全速域調控。拓展到成體干細胞或功能細胞前體這個范疇，目前這類細胞在體外幾乎都無法像ESC那樣實現長期穩定擴增，如何激活這類細胞的自我更新同時維持其分化潛能具有重要價值。在機體水平，特異性地刺激體內干細胞的穩態維持，即在體內干細胞反復再生過程中依然維持良好的分化潛能，將對克服疾病和衰老具有重大意義。
秦寶明研究員所帶領的代謝與細胞命運實驗室，此前致力于研究體細胞重編程早期細胞和代謝重塑的作用和發生機制，曾發現mTORC1介導的生物合成的關閉而非自噬降解的激活是這些重塑過程得以發生以及誘導多能干細胞（iPSC）得以建立的主要原因。
本研究在秦寶明研究員指導下、由廣州健康院與中國科學技術大學聯合培養的博士研究生徐雪婷完成，并得到了來自中科院生物物理所秦燕教授、浙江大學易文教授、深圳大學的劉寶華教授以及健康院張小飛研究員等多位同行的幫助和支持。該工作得到了來自國家科技部、國家及廣東省自然科學基金以及廣州市等多項基金的資助。
廣州健康院揭示mTOR調控胚胎干細胞自我更新的新機制
