糖酵解活性通过调控Nodal和Wnt信号通路指导胚层比例

这篇研究揭示了糖酵解代谢在胚胎发育中的关键调控作用。通过小鼠胚胎干细胞（mESC）体外类原肠胚（gastruloid）模型，发现糖酵解抑制会显著增加外胚层细胞命运，同时减少中内胚层（mesoderm/endoderm）形成。研究证实葡萄糖（Glc）浓度呈剂量依赖性调控胚层比例，并阐明糖酵解通过激活Nodal/Wnt/Fgf信号通路发挥作用。该发现为代谢调控细胞命运决定提供了新机制，对理解发育异常和代谢疾病具有重要启示。

　　

糖酵解活性在胚层分化中的关键作用

Highlights
• 糖酵解是类原肠胚中胚层和内胚层形成所必需的
• 外源葡萄糖水平对胚层比例具有剂量依赖性影响
• Nodal、Wnt和Fgf信号通路活性依赖于糖酵解
• 激活Nodal或Wnt信号可挽救糖酵解抑制的类原肠胚发育

引言
代谢途径与细胞命运决定的关联是发育生物学研究的前沿领域。近年研究发现，代谢不仅为细胞提供能量，还能通过代谢物介导的翻译后修饰、代谢酶"兼职"功能等机制调控表观遗传和信号状态。然而，代谢如何精确调控早期胚胎三胚层分化的机制仍不清楚。

研究团队采用小鼠胚胎干细胞（mESC）构建的3D类原肠胚模型，这一系统能自发形成具有前后轴的三胚层结构。通过时间进程观察发现，24-48小时（hpa）是原始条纹（primitive streak, PS）标记基因T/Bra表达的关键窗口期。

糖酵解抑制导致胚层比例失衡
使用2-脱氧葡萄糖（2-DG）抑制糖酵解后，类原肠胚出现显著表型变化：

1. T/Bra::GFP表达完全消失
2. 对称性破缺和轴向伸长受阻
3. 中胚层标记（Hes7、Meox1）和内胚层标记（Sox17、Hnf1b）显著下调
4. 神经外胚层标记（Neurog1、Fez1）异常上调

单细胞RNA测序进一步证实，糖酵解抑制导致：
• 心脏中胚层（cardiac mesoderm）和体节中胚层（somitic mesoderm）几乎消失
• 神经外胚层前化为前脑/中脑特征
• 多能性细胞比例增加至24.1%（对照组仅10.5%）

葡萄糖浓度的剂量效应
通过精确调控培养基葡萄糖浓度（0.02-2.5mM），发现：
• 低糖（0.02mM）条件下仅形成神经外胚层
• 0.5mM葡萄糖可恢复三胚层分化
• 葡萄糖浓度与T/Bra⁺细胞比例呈正相关
值得注意的是，这种调控独立于组织生长，即使通过调整初始细胞数控制类原肠胚大小，葡萄糖的剂量效应依然存在。

代谢工程验证
研究团队创新性地开发了SUC2-CD8基因工具，使细胞能利用蔗糖产生葡萄糖。实验证明：

1. 蔗糖处理的SUC2-CD8细胞能挽救低糖条件下的类原肠胚发育
2. 这种挽救具有严格的时间依赖性（仅在24-48hpa窗口期有效）

分子机制解析
RNA-seq分析揭示糖酵解通过多层面调控发育信号：

1. 下调Nodal配体及其靶基因（T/Bra、Eomes）
2. 抑制Wnt3a和Fgf8信号通路
3. 关键发现：添加Activin A（Act-A）或CHIR99021（Wnt激动剂）可部分挽救糖酵解抑制的表型，说明代谢调控位于信号通路上游

特别值得注意的是，信号激活挽救的是细胞命运决定而非代谢状态：
• 被挽救的类原肠胚仍保持较小体积
• 糖酵解ATP产生率未恢复
• 在完全无糖条件下，信号激活仍能诱导T/Bra表达

人类模型验证
在BMP4诱导的人胚胎干细胞（hESC）微图案培养系统中：

1. 2-DG处理同样抑制T/BRA表达
2. 核SMAD2/3水平降低
3. Act-A和CHIR处理能部分恢复PS标记
   证实糖酵解-Nodal/Wnt调控轴在人类系统中保守

讨论与展望
该研究建立了"代谢-信号-命运