在低氧条件下，FGF2通过依赖于丙酮酸脱氢酶的组蛋白乙酰化作用来促进NANOG基因的表达

《Frontiers in Cell and Developmental Biology》：FGF2 supports NANOG expression via pyruvate dehydrogenase–dependent histone acetylation under low oxygen conditions

细胞代谢调控干细胞多能性的分子机制研究。

　　人类多能干细胞（hPSCs）在基础研究、疾病模型构建以及再生医学领域具有重要的应用价值。它们具有无限自我更新的能力，并能分化为人体所有类型的细胞。然而，如何安全有效地控制这些细胞的分化和自我更新仍是研究的重点。hPSCs的多能性与一系列复杂的生物过程相关，包括细胞代谢、表观遗传调控和信号通路的动态平衡。近年来，研究发现，细胞的代谢状态对hPSCs的多能性维持具有重要影响，其中氧气浓度、活性氧（ROS）水平以及生长因子信号如FGF2在这一过程中扮演关键角色。本文探讨了PDH（丙酮酸脱氢酶）在这些调控中的作用，揭示了其在连接细胞代谢与表观遗传调控中的关键桥梁功能。

### 细胞代谢与多能性之间的联系

细胞代谢是细胞维持生命活动的基础，对基因表达和细胞命运决定具有深远影响。在hPSCs中，多能性状态通常伴随着高水平的组蛋白乙酰化和有氧糖酵解。组蛋白乙酰化是一种重要的表观遗传修饰，有助于维持染色质的开放状态，从而促进基因表达和细胞分化能力。而在分化过程中，细胞代谢会发生显著变化，表现为代谢重编程和组蛋白乙酰化水平的下降。PDH在这一过程中起到了关键作用，因为它将糖酵解产生的丙酮酸转化为乙酰辅酶A（Ac-CoA），后者是组蛋白乙酰化反应的关键底物。

在hPSCs中，即使在较高氧气浓度（如21% O?）下，糖酵解仍被优先使用，这使得丙酮酸能够转化为Ac-CoA，从而支持组蛋白乙酰化。这种代谢偏好在低氧条件下（如5% O?）更加显著，因为低氧环境会激活缺氧诱导因子（HIFs），进一步促进糖酵解并抑制三羧酸循环（TCA）和氧化磷酸化（OxPhos）。此外，HIFs还能调节FGF2信号通路，从而影响Ac-CoA的生成和组蛋白乙酰化水平。这种复杂的代谢调控机制，使得hPSCs在不同氧气浓度下表现出不同的表观遗传特征。

### FGF2信号对PDH活性和组蛋白乙酰化的影响

FGF2是维持hPSCs多能性的重要生长因子之一，它通过激活MEK1/2-ERK1/2信号通路来调控细胞代谢。该信号通路不仅影响关键转录因子如NANOG、SOX2和OCT-4的表达，还能够增强糖酵解代谢。在低氧条件下，FGF2通过减少细胞内的ROS水平，间接促进了PDH的活性，从而增加了Ac-CoA的生成。这一过程在hPSCs中尤为重要，因为Ac-CoA是组蛋白乙酰化反应的核心底物，而组蛋白乙酰化又与多能性维持密切相关。

实验结果显示，在5% O?条件下，FGF2处理显著降低了PDH的磷酸化水平，同时提高了组蛋白H3的乙酰化水平和NANOG蛋白的表达。而在21% O?条件下，FGF2对PDH磷酸化和组蛋白乙酰化的影响并不显著。这表明FGF2对PDH的调控作用具有氧气依赖性，其效果在低氧环境中更为明显。这种氧气依赖性可能与HIFs的调控有关，因为HIFs在低氧条件下被激活，从而影响代谢途径和信号传导。

### ROS在调控PDH活性中的作用

ROS是细胞代谢的副产物，通常被视为有害物质，但它们在细胞信号传导中也具有重要作用。在hPSCs中，ROS水平的调节与PDH活性密切相关。在低氧条件下，FGF2通过MEK1/2-ERK1/2信号通路降低ROS水平，从而促进PDH的去磷酸化，增强其活性。这一过程导致更多的Ac-CoA生成，进而支持组蛋白乙酰化和NANOG表达。

然而，当ROS水平升高时，PDH的磷酸化水平也随之增加，组蛋白乙酰化和NANOG表达则显著下降。这种ROS对PDH的调控作用表明，细胞内的氧化还原状态对代谢和表观遗传调控具有重要的影响。此外，研究还发现，ROS可以影响PDP1（丙酮酸脱氢酶磷酸酶1）的活性，这可能进一步调控PDH的去磷酸化过程。

### PDH活性对多能性维持的影响

PDH的活性对于hPSCs的多能性维持至关重要。实验表明，PDH的抑制会导致组蛋白乙酰化水平和NANOG表达的显著下降，而通过补充Ac-CoA前体（如柠檬酸）可以部分恢复这些效应。这说明PDH活性在维持组蛋白乙酰化和NANOG表达中发挥着关键作用。此外，PDH的激活不仅能够促进Ac-CoA的生成，还能够增强线粒体膜电位和氧气消耗率，表明PDH在代谢重编程中具有重要作用。

值得注意的是，虽然FGF2能够通过MEK1/2-ERK1/2信号通路调控PDH活性，但该调控过程并不完全依赖于ROS。此外，PDH的调控还可能涉及其他机制，例如PDP1的活性变化。然而，目前尚不清楚PDP1是否受到ROS的可逆调控，需要进一步研究。

### 实验方法与结果

为了研究PDH对hPSCs多能性维持的影响，研究人员采用了多种实验方法，包括Western blotting、定量PCR（qRT-PCR）、液相色谱-质谱联用（LC-MS）和荧光显微镜等。这些方法用于检测PDH活性、组蛋白乙酰化水平和NANOG表达的变化。此外，还使用了ROS敏感探针（如CellROX Green）和GSH探针（如monochlorobimane）来评估细胞内的氧化还原状态。

实验结果显示，在5% O?条件下，FGF2处理显著降低了PDH的磷酸化水平，同时提高了组蛋白H3的乙酰化水平和NANOG表达。而在21% O?条件下，FGF2对这些参数的影响并不显著。这进一步表明，FGF2对PDH和组蛋白乙酰化的调控作用具有氧气依赖性。此外，通过抑制PDH（使用CPI-613）或增加ROS水平（使用H?O?），研究人员能够观察到这些参数的变化，从而验证了PDH活性与组蛋白乙酰化和NANOG表达之间的关系。

### 生理意义与研究局限性

研究发现，FGF2通过调控ROS水平来影响PDH活性，进而影响组蛋白乙酰化和NANOG表达。这一发现不仅揭示了细胞代谢与表观遗传调控之间的复杂联系，还提供了优化hPSCs培养和分化方法的新思路。例如，在需要调控ROS水平的细胞分化过程中，如心脏和神经细胞分化，可以利用这些机制来提高分化效率和细胞功能。

然而，本研究也存在一定的局限性。首先，虽然观察到了PDH活性与组蛋白乙酰化之间的相关性，但并未直接测量细胞内的Ac-CoA水平，而是通过代谢产物和功能参数进行间接推断。其次，PDHK1的酪氨酸磷酸化是否参与其活性调控，目前尚无直接证据。此外，研究并未区分PDH在细胞核和线粒体中的不同调控机制，未来需要进一步探索这一方面。

### 结论

综上所述，本研究揭示了FGF2信号通路在调控hPSCs多能性中的关键作用，特别是在低氧条件下。FGF2通过MEK1/2-ERK1/2信号通路降低ROS水平，从而促进PDH的活性，增加Ac-CoA的生成，支持组蛋白乙酰化和NANOG表达。这一发现不仅加深了我们对hPSCs代谢与表观遗传调控之间关系的理解，还为优化hPSCs的培养和分化条件提供了理论依据。通过调控氧气浓度、ROS水平和生长因子信号，可以更有效地维持或诱导hPSCs的多能性，这对于基础研究、疾病模型构建和再生医学具有重要意义。