L-谷氨酸通过EGFR-MEK-ERK-mTFB2轴调控肠道干细胞线粒体生物合成的机制研究

《Stem Cell Research & Therapy》：L-Glutamate enables the EGFR-MEK-ERK-mTFB2 axis to enhance mitochondrial biogenesis in intestinal stem cells

本研究针对肠道干细胞(ISC)如何感知营养信号调控线粒体功能这一关键科学问题，通过猪模型、肠道类器官(IOs)和IPEC-J2细胞三重实验体系，首次揭示L-谷氨酸(Glu)可直接激活EGFR-MEK-ERK-mTFB2信号轴，促进线粒体生物合成和ISC增殖。该发现为营养感应机制耦合能量代谢与干细胞功能提供了新视角，对肠道稳态调控和精准营养策略具有重要理论意义。

　　

肠道作为人体更新最活跃的器官之一，其上皮细胞每2-3天就会完全更新一次。这种高速更新依赖于肠道干细胞(ISC)的持续增殖和分化能力。位于隐窝基部的Lgr5⁺肠道干细胞如同肠道组织的"发动机"，通过快速分裂产生各类功能细胞，维持着肠道上皮的稳态平衡。然而，这个精密系统的运转需要巨大能量支撑，线粒体作为细胞的"能量工厂"，其功能状态直接影响着干细胞的命运决定。

近年来研究发现，氨基酸不仅是蛋白质合成的原料，更是调控细胞代谢的关键信号分子。其中L-谷氨酸(Glu)作为最丰富的膳食氨基酸，在肠道健康中扮演着特殊角色：它既是肠黏膜氧化的主要底物，又能作为信号分子调控干细胞命运。以往研究表明，Glu能通过代谢型谷氨酸受体或Frizzled7受体促进果蝇和猪的ISC增殖，但其是否通过调控线粒体功能来影响ISC仍不清楚。

同时，表皮生长因子受体(EGFR)信号通路被证实对ISC维持至关重要，但其经典激活依赖于潘氏细胞分泌的配体。有趣的是，在肿瘤模型中Glu可通过多种方式调控EGFR活性，提示营养信号与生长因子信号间存在深刻交互。此外，线粒体转录因子mTFB2作为MEK依赖性EGFR信号的下游效应器，在线粒体生物生成和ISC增殖中起关键作用。这些线索共同指向一个科学问题：Glu是否通过EGFR-mTFB2轴耦合营养感应与线粒体生物合成，从而调控ISC功能？

为回答这一问题，窦彩霞等人在《Stem Cell Research & Therapy》发表了最新研究成果，通过多层级实验体系揭示了Glu调控ISC线粒体生物合成的新机制。

研究采用的主要技术方法包括：使用仔猪模型进行体内生理功能验证；通过肠道类器官(IOs)培养模拟肠道上皮微环境；利用IPEC-J2细胞系进行机制解析；结合iTRAQ蛋白质组学、免疫荧光、Western blot、ITC等技术进行信号通路验证。

膳食Glu刺激仔猪肠道更新通过增强ISC活性

研究人员首先通过21天的饲养实验发现，在无氮日粮中添加1.0% Glu显著提高了仔猪空肠中ISC标志物Lgr5和Olfm4的表达水平，增殖细胞标志物Ki67阳性细胞比例增加，而凋亡标志物C-caspase-3信号减弱。这些结果表明膳食Glu能有效促进肠道上皮更新和ISC活性。

Glu增强仔猪空肠上皮线粒体功能和EGFR-MEK-ERK-mTFB2信号轴

蛋白质组学分析显示，Glu处理后空肠组织中线粒体生物合成相关通路显著富集。免疫荧光检测发现线粒体融合蛋白MFN1和MFN2表达增强，同时氧化应激指标MDA水平下降，抗氧化酶GSH-Px活性提高。更重要的是，Glu激活了从EGFR到mTFB2的完整信号级联，包括磷酸化EGFR、MEK、ERK以及mTFB2蛋白水平的显著上调。

Glu促进IPEC-J2细胞中EGFR-MEK-ERK-mTFB2轴和线粒体功能

在IPEC-J2细胞模型中，5 mM Glu处理提高了细胞增殖活性(PCNA⁺细胞比例增加)和ATP产量，降低了活性氧(ROS)水平。线粒体动力学分析显示融合过程增强(MFN1/MFN2上调)，分裂过程减弱(Drp1下调)。同时，线粒体生物合成相关基因(POLRMT、mTFA、mTFB2等)表达上调，EGFR-MEK-ERK-mTFB2信号通路被激活。

靶向EGFR阻断Glu驱动的线粒体生物合成重塑

为验证Glu与EGFR的直接相互作用，研究人员在肠道类器官中进行了共定位研究，发现Glu效应依赖于EGFR信号。使用EGFR抑制剂Osimertinib处理后，Glu促进的类器官形成效率和出芽能力被完全抑制。同时，Glu诱导的线粒体生物合成标志物上调和EGFR-MEK-ERK-mTFB2信号激活也被逆转。

进一步的基因沉默实验显示，EGFR敲低后Glu无法诱导线粒体相关标志物表达。等温滴定量热法(ITC)直接证实了Glu与EGFR蛋白之间存在特异性结合，结合常数K_D为7.561×10^-6 M，表明两者具有生理相关的相互作用。

抑制EGFR-MEK-ERK-mTFB2轴消除Glu对IPEC-J2细胞线粒体功能的影响

在IPEC-J2细胞中，Osimertinib处理完全阻断了Glu对SOD1活性、PCNA表达、线粒体融合/分裂平衡以及EGFR-MEK-ERK-mTFB2信号通路的促进作用，进一步证实了该信号轴在Glu效应中的核心地位。

沉默EGFR消除Glu对IPEC-J2细胞线粒体功能的影响

通过siRNA特异性沉默EGFR基因后，Glu对MFN1、MFN2和Drp1等线粒体动力学指标的调控作用被完全消除，从遗传学角度证实了EGFR在Glu信号转导中的必要性。

该研究首次阐明了Glu作为营养信号分子直接与EGFR相互作用，激活MEK-ERK-mTFB2信号级联，从而驱动线粒体生物合成和ISC扩张的完整机制。这一发现不仅揭示了营养感应与生长因子信号在调控干细胞功能中的新颖交叉对话，还为理解肠道稳态维持的代谢基础提供了重要见解。从转化医学角度看，该研究为通过精准营养干预调控肠道干细胞功能、促进肠道健康提供了理论依据，对畜牧业生产和人类肠道疾病防治均具有潜在应用价值。

特别值得注意的是，研究采用的猪模型在肠道生理和氨基酸代谢方面与人类高度相似，使得研究结果具有较好的生理相关性和潜在转化价值。同时，通过类器官、细胞系和多组学技术的综合运用，研究团队在分子机制解析上取得了重要突破，为后续相关研究奠定了坚实基础。