简而言之
- 科学家发现，将干细胞的能量来源从葡萄糖改为半乳糖，可以创造出具有增强能力和发育潜力的“超级”干细胞。
- 这种代谢转换激活了去乙酰化酶蛋白，改善了细胞对基因表达的调控，从而提高了细胞DNA中的“信号-噪声比”，类似于衰老过程中的机制。
- 该研究在生育治疗和再生医学领域具有潜在应用，可能提高体外受精（IVF）的成功率，并开发出针对帕金森病等疾病的治疗方法。
哥本哈根—— 哥本哈根大学的一项引人注目的研究表明，通过改变细胞的能量来源，可以显著改变它们的身份和能力，这一发现可能会彻底改变细胞发育和衰老过程的未来。
通过迫使胚胎干细胞切换能量来源，研究人员将它们转化为更具多功能性和强健性的细胞类型。这种代谢转换触发了一系列分子变化，从根本上重新编程了这些细胞。
“我们展示了通过改变饮食，干细胞可以恢复活力并变成‘超级’干细胞。这迫使它们以不同于平常的方式代谢能量，这个过程基本上重新编程了干细胞。”第一作者罗伯特·博恩（Robert Bone）说，他是诺和诺德基金会干细胞医学中心（reNEW）的助理教授。
哥本哈根团队通过用半乳糖替代小鼠胚胎干细胞培养基中的葡萄糖发现了这一点。这种简单的替换迫使细胞更多地依赖氧化磷酸化而不是糖酵解来产生能量。
“真正令人震惊的是，它们不仅在分化方面表现更好，而且在标准培养条件下，它们保持健康的时间也更长。而且这种方法相对简单。”通讯作者约书亚·布里克曼（Joshua Brickman）说，他是reNEW的教授。
显微镜下放大的胚胎有丝分裂干细胞，3D插图。（© Eduard Muzhevskyi – stock.adobe.com）
细胞身份的代谢关键
这种代谢转换激活了称为去乙酰化酶的蛋白质，这些蛋白质去除组蛋白（DNA缠绕的蛋白质）和转录因子（控制基因活性的蛋白质）上的化学标签。结果是研究人员称之为“增强代谢胚胎干细胞”（EMESCs），其性能优于常规胚胎干细胞。
当将这些代谢增强的细胞注射到发育中的小鼠胚胎中时，它们更有效地贡献于各种组织，并显示出更大的能力发展成胚胎和胚外组织，证明了其增加的发育潜力。
一种名为SOX2的关键蛋白质对于维持干细胞特性至关重要，在这些代谢改变的细胞中工作得更加高效。激活的去乙酰化酶去除了SOX2特定位点上的化学标签，使其更牢固地结合DNA并激活维持增强干细胞状态所必需的基因。
“超级”干细胞在未来如何应用？
这种饮食变化引起的代谢过程改善了研究人员所说的细胞DNA中的“信号-噪声比”。这种变化使冗余遗传信息区域的DNA更加紧密，同时使重要的指令更加可访问。
研究人员将其比作在一个嘈杂的餐厅里与我们的祖父母交谈，他们难以听到我们在说什么，不仅因为我们说话不够大声，还因为背景噪音太强。衰老的干细胞在其基因组中也会经历类似的困难。
一个特别有前景的应用可能是生育治疗。“‘超级’干细胞似乎更擅长生成形成卵黄囊的细胞系。先前的研究发现，在培养皿中培养的胚胎中，卵黄囊的形成对其植入和成功妊娠的能力非常重要。”博恩解释说。
布里克曼补充说：“我们希望改进体外受精技术，通过开发使用相同代谢过程的体外受精培养基。希望它能用于临床中的胚胎培养，提高植入成功率。”
除了生育治疗，研究人员还看到了再生医学领域的潜在应用。“鉴于我们现在有了一个简单的手段来恢复细胞活力，我们想研究这种技巧是否适用于各种细胞类型。例如，我们能否用这种饮食来恢复肝细胞或心肌细胞，并用它们来治疗充血性心力衰竭或肝硬化患者？也许我们可以用这种技巧来再生衰老细胞，治疗帕金森病、骨质疏松症或糖尿病等疾病。”布里克曼建议。
该论文发表在《EMBO杂志》上。
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