撰文 |Sure

葡萄糖是生物體廣泛使用的能量物質(zhì)，其代謝途徑主要包括糖酵解、磷酸戊糖途徑和己糖胺途徑，這些代謝途徑產(chǎn)生ATP以支持多種生物功能【1】。然而，人類對(duì)于葡萄糖在生物體中功能的認(rèn)知可能十分有限。有研究表明葡萄糖在組織穩(wěn)態(tài)中的作用不僅僅局限于能量供應(yīng)，而是可能直接調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)和分化。糖尿病患者常表現(xiàn)出成纖維細(xì)胞增殖受損，干細(xì)胞在高葡萄糖環(huán)境中受到抑制，骨骼肌祖細(xì)胞在高葡萄糖環(huán)境下增殖能力下降，亦或者高葡萄糖水平能促進(jìn)成骨分化等【2-5】。此外，一些營(yíng)養(yǎng)傳感轉(zhuǎn)錄因子（如MondoA/ChREBP）會(huì)對(duì)葡萄糖-6-磷酸（G6P）做出反應(yīng)，進(jìn)而激活糖酵解和脂質(zhì)合成相關(guān)基因，調(diào)控細(xì)胞和機(jī)體代謝【5-8】。目前對(duì)于葡萄糖非能量供給相關(guān)的組織穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制尚未被廣泛研究。

在體細(xì)胞組織分化過(guò)程中，RNA轉(zhuǎn)錄本、蛋白質(zhì)和小分子代謝物的水平需要協(xié)調(diào)變化，以支持組織特定功能。在表皮中，貼附于基底膜的有絲分裂活躍的基底層細(xì)胞會(huì)退出細(xì)胞周期，然后向外遷移，最終經(jīng)歷終末分化，形成無(wú)生命的角質(zhì)細(xì)胞（corneocytes），構(gòu)成皮膚屏障【9,10】。在此過(guò)程中，成千上萬(wàn)個(gè)基因的表達(dá)發(fā)生變化。然而，這一復(fù)雜過(guò)程所涉及的生物分子信號(hào)尚未完全了解。

近日，來(lái)自美國(guó)斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Paul A. Khavari課題組在Cell Stem Cell上發(fā)表了研究論文Glucose modulates IRF6 transcription factor dimerization to enable epidermal differentiation。在本研究中，作者通過(guò)多種組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)了葡萄糖在組織穩(wěn)態(tài)中的非能量供給作用，揭示了葡萄糖可以直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子活性的重要作用，這個(gè)功能在組織分化中促進(jìn)了表皮分化相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。這是對(duì)葡萄糖生物學(xué)功能的一次全新理解。

首先，作者從角質(zhì)形成細(xì)胞分化過(guò)程中代謝物的變化入手，他們利用5種質(zhì)譜技術(shù)從不同分化階段的人角質(zhì)形成細(xì)胞中共檢測(cè)到14000多種代謝物。其中193種生物分子在分化過(guò)程中發(fā)生顯著變化，包括皮膚屏障形成相關(guān)的γ-谷氨酰氨基酸轉(zhuǎn)谷氨酰胺底物、游離脂肪酸以及光保護(hù)分子尿刊酸等。出人意料的是，在這些升高的生物分子中，葡萄糖變化最顯著的。為了驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn)，作者通過(guò)熒光葡萄糖類似物、放射性示蹤、熒光葡萄糖傳感器以及小鼠實(shí)驗(yàn)，多方面進(jìn)行研究，結(jié)果表明葡萄糖能在分化的角質(zhì)形成細(xì)胞中積累。這暗示著葡萄糖在角質(zhì)形成細(xì)胞的分化過(guò)程中可能發(fā)揮某種未知的作用。

隨后，作者分析了葡萄糖積累的原因。他們發(fā)現(xiàn)分化細(xì)胞的葡萄糖攝取減少，同時(shí)也排出更少的葡萄糖，加之分化細(xì)胞的糖酵解水平低于祖細(xì)胞，且氧氣消耗增加，這些變化都為分化細(xì)胞中葡萄糖的積累提供了條件。對(duì)葡萄糖代謝的中間產(chǎn)物進(jìn)行分析后，作者發(fā)現(xiàn)糖酵解、磷酸戊糖途徑和己糖胺途徑的代謝產(chǎn)物都沒(méi)有顯著增加，且糖原合成和分解途徑也未發(fā)現(xiàn)明顯變化。但是，作者發(fā)現(xiàn)脂肪酸氧化水平增強(qiáng)，脂質(zhì)代謝相關(guān)基因在分化早期出現(xiàn)上調(diào)，這表明分化細(xì)胞的代謝偏向氧化磷酸化，而不依賴葡萄糖供能。這些結(jié)果說(shuō)明分化細(xì)胞中游離葡萄糖的積累并非用于增強(qiáng)代謝，而是可能對(duì)細(xì)胞分化發(fā)揮作用。

接下來(lái)，作者對(duì)葡萄糖在細(xì)胞分化過(guò)程中的作用進(jìn)行探究。通過(guò)限制葡萄糖的獲取進(jìn)行功能驗(yàn)證，結(jié)果表明在低葡萄糖培養(yǎng)條件下，雖然角質(zhì)形成細(xì)胞增殖沒(méi)有受到影響，但是表皮分化出現(xiàn)明顯受損。當(dāng)補(bǔ)充3-O-甲基葡萄糖可以恢復(fù)表皮分化，同時(shí)也能恢復(fù)氧氣消耗速率。此外，作者還通過(guò)過(guò)表達(dá)HK1/2和G6PD抑制葡萄糖代謝途徑，發(fā)現(xiàn)這種干預(yù)手段可以降低細(xì)胞內(nèi)葡萄糖水平，從而抑制細(xì)胞的分化過(guò)程。這些結(jié)果表明，游離葡萄糖的積累對(duì)表皮分化至關(guān)重要。

作者繼續(xù)研究導(dǎo)致分化細(xì)胞中游離葡萄糖積累的分子因素。葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞依賴于多種轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)。因此，單細(xì)胞RNA-seq研究發(fā)現(xiàn)，SGLT1主要在分化細(xì)胞中表達(dá)，且在分化細(xì)胞中上調(diào)超過(guò)50倍，其他的轉(zhuǎn)運(yùn)體例如GLUT1和GLUT3分別在基底層和表皮上層中表達(dá)。ChIP-seq結(jié)合分析發(fā)現(xiàn)p63、ZNF750、KLF4、CEBPa/b以及IRF6在這些轉(zhuǎn)運(yùn)體的調(diào)控區(qū)域有結(jié)合信號(hào)。這些轉(zhuǎn)錄因子可以直接調(diào)控葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)水平。

文章的最后，作者深入探討葡萄糖與IRF6在調(diào)控細(xì)胞分化過(guò)程中的相互關(guān)系。通過(guò)RNA-seq和ATAC-seq，作者發(fā)現(xiàn)在低葡萄糖條件下IRF6結(jié)合的靶基因減少，提示葡萄糖可能調(diào)控IRF6的轉(zhuǎn)錄因子活性。作者大膽的推測(cè)葡萄糖可能通過(guò)直接結(jié)合IRF6來(lái)調(diào)控其功能。為了驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)，他們利用葡萄糖親和色譜和糖基化點(diǎn)擊化學(xué)實(shí)驗(yàn)都可以鑒定到IRF6與葡萄糖的直接結(jié)合。對(duì)其結(jié)合葡萄糖的親和力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)IRF6結(jié)合葡萄糖的解離常數(shù)與經(jīng)典的葡萄糖結(jié)合蛋白己糖激酶1相當(dāng)。突變IRF6的葡萄糖結(jié)合位點(diǎn)可以破壞結(jié)合葡萄糖的能力，同時(shí)IRF6突變體無(wú)法恢復(fù)角質(zhì)形成細(xì)胞分化，說(shuō)明葡萄糖結(jié)合對(duì)于IRF6的功能是必要的。進(jìn)一步的分子研究發(fā)現(xiàn)，葡萄糖的結(jié)合能提高IRF6二聚化，增強(qiáng)IRF6結(jié)合DNA的能力，進(jìn)而促進(jìn)IRF6靶基因的表達(dá)，支持細(xì)胞的分化過(guò)程。

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了葡萄糖在角質(zhì)形成細(xì)胞分化過(guò)程中的積累及其在調(diào)控細(xì)胞分化中的非能量供給作用，主要是通過(guò)直接結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子IRF6來(lái)增強(qiáng)其活性，激活關(guān)鍵表皮分化基因的表達(dá)。這些發(fā)現(xiàn)拓展了對(duì)葡萄糖在非能量代謝調(diào)控中的理解，并揭示了一種新的葡萄糖-轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)皮膚生理學(xué)和糖代謝疾病有重要意義。

https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.02.017

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

1. Zhu, J., and Thompson, C.B. (2019). Metabolic regulation of cell growth and proliferation.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.20, 436–450.

2. Hehenberger, K., Heilborn, J.D., Brismar, K., and Hansson, A. (1998). Inhibited proliferation of fibroblasts derived from chronic diabetic wounds and normal dermal fibroblasts treated with high glucose is associated with increased formation of l-lactate.Wound Repair Regen.6, 135–141.

3. Loots, M.A., Lamme, E.N., Mekkes, J.R., Bos, J.D., and Middelkoop, E. (1999). Cultured fibroblasts from chronic diabetic wounds on the lower extremity (non-insulin-dependent diabetes mellitus) show disturbed proliferation.Arch. Dermatol. Res. 291, 93–99.

4. Saki, N., Jalalifar, M.A., Soleimani, M., Hajizamani, S., and Rahim, F. (2013). Adverse effect of high glucose concentration on stem cell therapy.Int. J. Hematol. Oncol. Stem Cell Res.7, 34–40.

5. Seubbuk, S., Sritanaudomchai, H., Kasetsuwan, J., and Surarit, R. (2017). High glucose promotes the osteogenic differentiation capability of human periodontal ligament fibroblasts.Mol. Med. Rep.15, 27882794.

6. Havula, E., and Hietakangas, V. (2012). Glucose sensing by ChREBP/ MondoA-Mlx transcription factors.Semin. Cell Dev. Biol.23, 640–647.

7. Abdul-Wahed, A., Guilmeau, S., and Postic, C. (2017). Sweet Sixteenth for ChREBP: Established Roles and Future Goals.Cell Metab.26, 324–341.

8. Uyeda, K., and Repa, J.J. (2006). Carbohydrate response element binding protein, ChREBP, a transcription factor coupling hepatic glucose utilization and lipid synthesis.Cell Metab.4, 107–110.

9. Belokhvostova, D., Berzanskyte, I., Cujba, A.M., Jowett, G., Marshall, L., Prueller, J., and Watt, F.M. (2018). Homeostasis, regeneration and tumour formation in the mammalian epidermis.Int. J. Dev. Biol.62, 571–582.

10. Hsu, Y.C., and Fuchs, E. (2022). Building and Maintaining the Skin. Cold Spring Harb.Perspect. Biol.14, a040840.

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