文摘
多能干细胞的分化与广泛的代谢变化,以及广泛的表观遗传景观的改造。表观遗传调控至关重要的调制分化,负责细胞类型特定的基因表达模式通过DNA和组蛋白的修饰,从而建立细胞的身份。每个细胞类型都有自己的特殊的关于特定代谢途径的使用模式。而不是仅仅被视为一种生成ATP和积木对细胞生长和分裂,细胞代谢可以直接影响细胞的调控和表观基因组。因此,营养物质和代谢产物的意义理解细胞如何分化至关重要的监管机构与他们的周围环境。综述服务集成研究多能干细胞代谢,DNA甲基化和乙酰化的监管和识别领域中,目前的知识是有限的。
1。介绍
复兴在代谢研究发现新陈代谢cell-sensing的核心机制。不仅新陈代谢提供ATP维持体内平衡和细胞复制和中间体形成细胞增殖的基本构建块,而且代谢过程和产品可以调节信号通路,转录因子活性和基因表达。代谢物都可能导致长期的细胞通过调节表观基因组的变化,这种现象称为metaboloepigenetics。每个细胞都有一个独特的代谢表型和一个独特的表观遗传资料,反映他们的细胞定位和功能。假设,不仅新陈代谢中观察到不同的细胞类型的模式有助于实现细胞的特定功能,但也代谢参与建立在开发过程中细胞的表观基因组。这意味着内部和细胞外代谢环境,细胞的存在在活的有机体内或在体外可以在细胞表型产生深远的影响。此外,细胞自身的能力来修改自己的环境,以促进其功能值得考虑。
pluripotency-related多能表观基因组必须保持转录的基因,同时准备快速、lineage-specific在分化基因激活(1- - - - - -3]。与此同时,细胞不断地调节他们的代谢状态,以应对细胞外信号,包括营养可用性(4]。重要的代谢变化伴随的过渡从早期胚胎分化(5,6]。的可用性和活动代谢代数余子式和酶底物,通过细胞代谢,产生可以通过调制影响转录的调控的表观遗传过程,包括组蛋白甲基化和乙酰化作用。新陈代谢是因此成为一个中心的球员在表观遗传学和基因表达的调节。
在这里,我们审查的最新进展对我们理解角色的代谢物和代数余子式调制多能干细胞表观基因组。我们将讨论如何干细胞代谢和染色质的修改是互相联系的,所以他们的互动如何影响干细胞和分化状态,如何培养条件有可能诱发(擦除/生成)表观遗传标记,这些过程如何显著影响细胞的效用,以及潜在的代谢改变诱导表观遗传放松管制。我们参考现有读者评论线粒体多能干细胞的特征(7- - - - - -9]。
2。定义多能干细胞
在胚胎和文化,多能细胞已被证明暂时截然不同的细胞组成一个血统州(了10])。多能干细胞,胚胎(来自内细胞团(ICM)胚泡期的胚胎;胚胎干细胞)或重组从体细胞胚胎干细胞的状态(诱导多能干细胞;“诱导多能性”细胞)是由他们的自我更新能力(无限增殖)和多能性,如图所示的能力作为创始人的细胞群的所有细胞的胚胎和成年。这些属性支撑这些细胞的潜在用途的临床相关的细胞疗法和药物发现。许多研究都集中在定义ES细胞的分子性质,但直到最近,我们开始研究这些细胞的生理机能和新陈代谢。
老鼠和人类胚胎干细胞生长因子不同需求在体外从不同的发展阶段,因此他们的起源。ICM的小鼠胚胎干细胞分离依赖于白血病抑制因子(生活)正在进行的传播,同时也要求血清(11]。另外,老鼠胚胎干细胞可以被孤立在GSK3中补充了Mek / Erk抑制剂和激活(12]。人类胚胎干细胞来源于后期多能细胞群,更类似于postimplantation外胚层(13,依赖于苯丙酸诺龙/节点和纤维母细胞生长因子(FGF)信号为自我更新和多潜能14- - - - - -16]。组织的起源和人类胚胎干细胞的基因表达谱表明,他们是代表后期多能细胞状态。多能细胞已经隔绝postimplantation外胚层或原始外胚层的老鼠。像人类ES细胞,外胚层干细胞(EpiSC)要求自我更新和多潜能(FGF和苯丙酸诺龙17- - - - - -19]。在培养这些细胞采用前原始外胚层的表型从原肠胚阶段胚胎后期17]。
小鼠胚胎干细胞可以培养Fgf的抑制剂,Mek / Erk和Gsk3形成一个天真的ES细胞状态,代表早期的内细胞团(20.- - - - - -22]。包含GSK3抑制剂的最小化的负面调控生物合成途径(12),从而调节增殖能力。另外,老鼠胚胎干细胞可以培养在培养基补充氨基酸l脯氨酸形成早期原始ectoderm-like (EPL)细胞多能性的代表一个阶段中间ES细胞和EpiSC [23]。
每个人口、隔离或培养,代表一个干细胞状态的连续体中多能血统。
3所示。框架的多能干细胞的新陈代谢
多能干细胞的多能细胞的ICM派生它们表现出葡萄糖代谢的特点是高水平的消费,加上生产乳酸(看过的9,24];图1)。这种模式的新陈代谢保持在氧气充足的条件下,区分它和无氧糖酵解,因此被称为有氧糖酵解。华宝(25)第一次描述了有氧糖酵解在癌细胞在文化中,产生大量的乳酸在足够的氧气的存在甚至完全氧化葡萄糖(Warburg效应)。最初认为有氧糖酵解是特定于癌症,但它已经表明,这种代谢特征发生在其他类型的增殖细胞如淋巴细胞(26]。加德纳(27,28)确定相似性癌症和囊胚和Warburg效应的意义的发展晚期胚胎。
什么是多能干细胞细胞有氧糖酵解的优点?葡萄糖通常被认为是作为能源的能力。多能细胞是高度增殖,细胞周期的报告率降低至发展中胚胎(5 - 7个小时29日]。这些细胞保持这种增长速度将不得不为蛋白质生成构建块,核酸,脂类和碳水化合物。葡萄糖的糖酵解代谢可能不会产生尽可能多的ATP的葡萄糖氧化磷酸化每摩尔,但它可以很容易地创建等量的ATP的流量不断增加,葡萄糖。进一步增强糖酵解率发挥了重要作用,为生物合成代谢中间体的一代。葡萄糖利用的碳的合成甘油三酯、磷脂。葡萄糖是复杂的黏多糖和糖蛋白糖前体27,28]。通过磷酸戊糖途径代谢的葡萄糖(PPP)产生核糖半个所需DNA和RNA合成和脂类的生物合成所需的NADPH和其他复杂的分子(30.,31日]。因此有氧糖酵解的机制确保足够的碳通量在快速分裂的细胞生物合成途径27,30.,32,33]。
优惠通过糖酵解代谢的葡萄糖减少使用多能细胞氧化代谢,形成相应的减少活性氧(ROS)与氧化磷酸化(34]。从发展的角度来看,这降低了细胞内的氧化应激,从而减少DNA损伤的风险。鉴于多能细胞在活的有机体内和在体外作为创始人为所有细胞类型的胚胎和成年,新陈代谢,促进遗传稳定性将是成功的和忠实的传播的进化适应。
4所示。关键代谢物定义在活的有机体内多能干细胞利基
维护复杂的细胞多能性依赖于平衡和非细胞周围的微环境内的信号。高水平的有氧糖酵解多能细胞形成一个局部区域或利基,特点是相对高浓度的乳酸和胚泡周围的细胞外低pH值(和可能在细胞殖民地文化)。囊胚使用这种微环境促进植入过程(24]。这种环境下协助细胞外基质降解、血管生成和免疫调节的母亲在植入网站。乳酸,似乎是一个非常重要的信号分子,引发众多起源和周围组织细胞的影响。这些影响可以通过lactate-responsive调节转录因子。许多癌症似乎重现胚胎表型和coopt胚胎通路。癌症,如胚泡,产生一个微环境特点是高乳酸和减少外部pH值,通过有氧糖酵解,促进组织入侵,血管生成和免疫调节。这样的微环境的作用在体外干细胞文化尚未考虑,尽管它可能会产生深远影响多能干细胞,这些细胞周围。
低氧是一种干细胞利基的特征在活的有机体内,在生殖道内的氧浓度接近2 - 8% (35,36]。在输卵管内,胚胎早期发育发生在5 - 8.5%的氧浓度(35-60毫米汞柱)的兔子,仓鼠,恒河猴(35]。前后压实,与第一个血统规范事件,胚胎遍历到子宫,1.5 - -2%低氧浓度的氧气在恒河猴,兔的3.5%,5%在仓鼠35老鼠[],4%36]。减少氧气在子宫着床的时候尤其明显,在兔子和仓鼠从5.3%减少到3.5%的氧气是(35]。因此,胚胎似乎遇到降低氧浓度梯度进展从输卵管子宫。此外,在植入早期的时候,甚至缺氧和缺氧条件下面对入侵滋养外胚层(看过的37])。以浓度7%的氧气和低的激活低氧诱导因子(hif;(38),由(39)细胞内发生。低氧诱导因子通过调节葡萄糖代谢调节细胞内稳态,pH值,血管生成,和铁代谢,支持高糖酵解。
5。调节代谢的表观遗传修饰符代数余子式
细胞状态转换的特点是全球表观遗传的变化格局(40,41]。逐步分化收益,表观遗传修饰限制基因表达,沉默多能性基因和激活lineage-specific基因(42]。潜在的多能性胚胎干细胞的特点是一个开放的和高度动态的染色质景观(看过的43])。发展分化的多能血统和早期活动都伴随着基因组结构的变化。这是证明的变化意味着复制时间(捷运)位点在基因组。捷运的变化提供证据的改变基因组组织支撑建立细胞身份(40]。大变化在捷运伴随全球基因组重组,也称为常染色体lyonization,发生在EPL代表后面的原始外胚层细胞分化细胞(EpiSC EBM6;(44])和生殖系祖细胞。符合常染色体lyonization核架构的变化和延迟复制异染色质的形成和积累在核外围44]。
稳定的修改DNA是由DNA甲基转移酶催化(DNMTs)。一般来说,DNA甲基化可以修改染色质结构,防止在基因启动子转录因子结合,限制了基因表达。赖氨酸和精氨酸残基的甲基化在组蛋白H3和H4是由residue-specific催化甲基转移酶(HMT),可以与转录阻遏或激活有关。甲基化模式的建立等H3K4 di -或者trimethylation (H3K4me2 / me3)和H3K27 trimethylation (H3K27me3)通常与转录激活有关,而H3K9me2/3和H3K27me2/3与转录镇压。S-Adenosyl甲硫氨酸(SAM)作为主要的甲基供体DNA和组蛋白甲基化,通过一个碳代谢生成的。这个途径集成了叶酸和蛋氨酸周期(图1),后者从蛋氨酸代谢的输入,丝氨酸和甘氨酸代谢。胚胎干细胞具有提升全球转录活动(45]。压抑的痕迹,H3K9me3等低ES细胞分化与细胞(46]。二价甲基化,以活跃H3K4me3和专制H3K27me3发展监管机构的一个子集,提出了建立一个影射表观遗传状态,准备好之前激活ES细胞分化[2和维护分化3]。
DNA脱甲基发生被动或主动。被动的脱甲基作用发生在DNA复制在缺乏维护甲基转移酶。活跃的脱甲基的过程是由一千零一十一易位(春节)加双氧酶催化的,负责转换5-methylcytosine (5 mc) 5-hydroxymethylcytosine (5 hmc) (47- - - - - -49]。春节活动动态受alpha-ketoglutarate (公斤),柠檬酸循环的产物,琥珀酸(50]。Tet1和Tet2在小鼠胚胎干细胞中表达的高度51),Tet1也浓缩在小鼠囊胚的内细胞团51]。高5 hmc水平存在于小鼠胚胎干细胞和分化后显著降低49,52]。以类似方式,Jumonji demethylases监管公斤(53]。Jmjd1a Jmjd2c击倒导致小鼠ES细胞分化,调节基因表达多能(54]。
组蛋白乙酰化参与多个chromatin-dependent流程,包括基因调控、DNA复制和DNA损伤修复。乙酰化作用通常是与一个更开放的染色质配置,宽容的转录,而脱乙酰作用与浓缩,紧凑的染色质转录镇压。乙酰化作用是由组蛋白乙酰转移酶催化(帽子),该转让的乙酰基乙酰辅酶A(乙酰辅酶A)赖氨酸残留物,伴随生产推广。细胞乙酰辅酶a水平波动,以应对各种生理信号,包括营养供应和代谢活动。乙酰辅酶A的主要来源细胞中柠檬酸的转换是通过ATP柠檬酸裂解酶(ACL)。siRNA-mediated沉默的ACL显著降低组蛋白H2B, H3和H4 HCT116结直肠癌细胞乙酰化作用[55]。糖酵解可信的一个重要的角色在调节乙酰辅酶a的水平,和葡萄糖的可用性会影响组蛋白乙酰化作用ACL-dependent地(55]。
组蛋白脱乙酰作用由NAD催化+独立或河畔+端依赖去乙酰酶抑制剂(hdac)。类I和II hdac依赖锌,而组蛋白去乙酰酶抑制剂的sirtuin蛋白家族的活动依赖NAD(第三类)+的催化活性。Sirtuins蛋白(sirt)作为传感器的环境刺激和脱去乙酰基组蛋白和非组蛋白的基质。此外,他们的角色在许多代谢途径的规定,包括糖酵解、三羧酸循环、脂肪酸氧化、端粒维护,耐氧化应激和DNA修复。高糖酵解建立高NADH / NAD+比,它会使sirtuin活动。组蛋白乙酰化对多能干细胞的研究也主要集中在脱乙酰作用的调节类I和II hdac抑制剂,在分化的背景下。全基因组减少H3K9乙酰化作用(H3K9ac)是老鼠和人类ES细胞分化[所需56,57]。部分抑制ES细胞HDAC活性已经被证明可以促进胚胎干细胞自我更新(58,59]。因此,乙酰化维护一个高度动态配置宽容的转录激活。
6。连接多能干细胞与表观遗传学和细胞代谢状态
6.1。必需氨基酸的作用在调节多能干细胞甲基化
关键的研究在小鼠ES细胞突出特定氨基酸多能细胞的调控作用。个别氨基酸的消耗从ES细胞培养发现苏氨酸作为多能性的关键调节器。苏氨酸分解代谢支持小鼠ES细胞自我更新,而消除的苏氨酸培养基结果在放缓增殖和分化60,61年]。苏氨酸分解代谢导致细胞甘氨酸和乙酰辅酶a的水平,前者是通过山姆山姆合成所需周期(图1)。损耗的苏氨酸培养基或可拆卸的苏氨酸脱氢酶(Tdh)在小鼠ES细胞减少山姆积累(60)和改变分化潜力(62年]。分析13C-labelled苏氨酸,苏氨酸乙酰辅酶a的一个重要原因在老鼠胚胎干细胞池,甘氨酸来自13C-Thr导致山姆合成。删除苏氨酸导致甲基化组蛋白H3的损失。苏氨酸减少,不足以诱导细胞死亡,伴随着减少H3K4me3 [62年),暗示更专制的表观遗传景观。损失H3K4me3可能获救的补充与苏氨酸或甘氨酸和丙酮酸,与山姆/ SAH比率的增加(62年]。
人类ES细胞还需要山姆但通过另一种代谢途径,产生的结果缺乏功能性TDH [63年]。系统消除氨基酸的培养基氨基酸蛋氨酸是至关重要的。蛋氨酸不足5小时内导致细胞数量的减少,由于增加了细胞的死亡,与山姆的减少水平和NANOG表达式(64年]。蛋氨酸adenosyltransferases击倒,MAT2A MAT2B,催化转化的蛋氨酸山姆同样48 h后,细胞数量减少,这表明山姆,而不是蛋氨酸,是细胞生存所必需的。蛋氨酸的早期细胞数量减少,损耗是可逆的,但后来对细胞增殖的影响后长期蛋氨酸剥夺不(64年]。我们解释这意味着维护山姆水平对干细胞的生存至关重要,降低代谢物接口与细胞凋亡机制。短(5 h)和长期(24小时)蛋氨酸不足导致H3K4me3迅速减少,伴随着温和减少全球DNA甲基化;短期的影响不足可以通过补充废除与山姆64年]。
这些方法识别山姆作为主要的甲基供体在多能细胞,表明减少山姆减少组蛋白甲基化。细胞内的过程用来减少山姆可能减少水平低于其他重要的生理范围和影响池代谢物。Shyh-Chang et al。62年NADH / NAD)检测到的减少+和甘氨酸和增加ATP、glucose-6-phosphate fructose-6-phosphate,苏氨酸的前6小时内损耗,这表明文化媒体正在迅速枯竭的其他营养物质,饥饿的细胞。这就可能占增加细胞死亡在这两项研究,尤其是人类ES细胞被证明补充山姆在24小时内通过回收的同型半胱氨酸(64年]。这些数据表明,苏氨酸和潜在的蛋氨酸是至关重要的维持新陈代谢的平衡,因此细胞生存,在多能干细胞角色山姆一代独立的。问题是山姆的灯是否浓度细胞内生理范围内为细胞提供了一种机制将其代谢物的表观基因组。这些数据表明,同型半胱氨酸可能在调节细胞生存很重要。蛋氨酸通路的依赖转移的同型半胱氨酸甲基叶酸途径再生蛋氨酸。甘氨酸的能力,在丙酮酸的存在,恢复细胞生存后短期内蛋氨酸撤军涉及叶酸通路在调节多能细胞生存。
Shiraki et al。64年)指出,短期的蛋氨酸缺乏会使随后的细胞分化,随着越来越多的细胞表现出lineage-specific标记表达式在第四天诱导分化与已知differentiation-inducing条件。这将是重要的理解是否蛋氨酸剥夺强化通过平衡细胞分化更待发状态相对于蛋氨酸补充条件或蛋氨酸剥夺是否选择一个人口的细胞更容易接受differentiation-inducing条件。
6.2。谷氨酰胺调节ES细胞的甲基化
谷氨酰胺可以调节多能性和组蛋白甲基化。大多数哺乳动物细胞的增殖依赖两个分子的分解代谢,葡萄糖和谷氨酰胺,履行能源、碳和氮需求(4]。正如所料,天真和启动细胞消耗葡萄糖和谷氨酰胺,虽然稳态水平的柠檬酸循环中间体低天真的胚胎干细胞(65年]。天真和致敏小鼠ES细胞能够增殖在缺乏葡萄糖(65年),证明绝对要求这种代谢物。不过,这些细胞状态可以由其增殖能力杰出没有谷氨酰胺,与天真,但不启动,ES细胞能够增殖,尽管折合率,在谷氨酰胺缺乏媒介65年]。天真glutamine-deficient ES细胞的增殖培养基支持由葡萄糖、谷氨酸的产量增加而谷氨酰胺的添加前体合成的介质启动胚胎干细胞使扩散glutamine-depleted中(65年]。这表明,从天真的过渡到启动胚胎干细胞建立依赖谷氨酰胺和三羧酸循环活动支持扩散。
天真的ES细胞表现出增加公斤:琥珀酸比(凯里et al . 2015),高的地方公斤可以影响表观基因组通过调制Jumonji和春节活动。谷氨酰胺剥夺后,增加H3K9me3、H3K27me3 H3K26me3,和H4K20me3水平在天真的胚胎干细胞,发现可以通过与细胞渗透中补充公斤(65年]。这些结果表明,细胞内的高水平公斤天真的ES细胞中发现,持续通过glucose-dependent谷氨酸生产、维护一个表观遗传景观特点是低水平的组蛋白甲基化。当细胞进展到待发状态,它们的代谢表型变化,glucose-dependent谷氨酸生产和细胞内公斤的水平降低,相应增加的组蛋白甲基化积累,符合更高水平的甲基化在这些胚胎干细胞。
6.3。l脯氨酸代谢诱导表观基因组的变化反映多能细胞的身份
多能早期原始ectoderm-like (EPL)细胞可以由致敏ES细胞在文化66年]。ICM的损失- - - ES特异性标记基因表达,再加上增加表达的原始外胚层标记(23,66年- - - - - -68年),增加增殖率(23),形成细胞群和限制能力特征的原始内胚层血统69年,70年]显示EPL细胞不同于胚胎干细胞,使之与胚胎的原始外胚层。氨基酸l脯氨酸可以诱导ES细胞分化的EPL细胞(23,71年- - - - - -73年]。l脯氨酸活动是通过氨基酸转运蛋白,通过吸收SNAT2;抑制l脯氨酸的吸收通过SNAT2防止EPL细胞的形成71年]。l脯氨酸活动是依赖于细胞内l脯氨酸浓度和l脯氨酸代谢。脯氨酸脱氢酶抑制防止EPL的形成细胞([72年),Rathjen未发表),和删除l脯氨酸EPL细胞导致的重建ES细胞表型。抑制l脯氨酸生物合成,细胞内的短缺,已经被假设为维护ES细胞的身份,防止自动调整的区别(73年]。
添加l脯氨酸诱导ES细胞表观基因组和转录组的变化。总基因组的分析组织ES和EPL细胞表明这些细胞很相似,但可重复的变化确实发生在捷运EPL细胞的形成,这可以用来区分两个细胞类型(40]。它遵循的新陈代谢l这个过程所带来的脯氨酸和细胞身份变更清单在基因组结构的变化。proline-treated细胞组蛋白甲基化模式的分析表明,表观遗传改造,在一定程度上调节转录组的变化。添加l脯氨酸增加了H3在赖氨酸的甲基化9 36和诱导H3K9的重组H3K36跨基因组甲基化状态(74年]。变化与位点甲基化相关规定l脯氨酸。引起的表观遗传变化l脯氨酸是抑制抗坏血酸添加到细胞时;到目前为止,抗坏血酸的方法行动是不知道。的可用性l脯氨酸的ES细胞,它代表的平衡l脯氨酸的可用性和在细胞内合成和随后的新陈代谢,调节多能细胞身份,可用性较低的执行一个ES细胞状态和水平的提高l脯氨酸诱导EPL细胞形成(23,71年,73年]。作为这个过程的一部分l脯氨酸诱发EPL细胞的表观基因组特征变化的状态。
6.4。调节葡萄糖的多能干细胞的表观遗传景观
高糖酵解率驱动器柠檬酸合成,导致胞质乙酰辅酶A的生产。反过来,乙酰辅酶a可以作为辅因子的组蛋白乙酰化作用[75年]。她et al。76年]表明乙酰辅酶a水平在人类胚胎干细胞是双重的高于微分同行中找到。在胚胎干细胞,葡萄糖通量最主要的原因是糖酵解乙酰辅酶a池;当细胞分化的能力通过这个途径生成乙酰辅酶a丢了(76年]。乙酰辅酶a水平显著降低小鼠ES细胞分化后,尽管在这些细胞,这是由于减少了苏氨酸分解代谢(61年]。乙酸,对区分人类ES细胞前体乙酰辅酶a,延迟细胞分化[76年]。
人类ES细胞分化的启动导致的损失H3K9 / K27乙酰化作用(H3K9 / H3K27ac),标志着与转录相关的镇压,而醋酸的分化细胞阻塞这个损失。抑制糖酵解2-deoxyglucose,先前与分化相关(77年),同样减少H3K9 / H3K27ac产生影响,可以逆转的乙酸(76年]。她等人的研究表明,乙酰辅酶a的生成,从单糖进行丙酮酸,需要支持维护多能表观遗传景观。其他人质疑使用丙酮酸的多能干细胞线粒体(78年,79年]。从丙酮酸乙酰辅酶a的直接量化通量需要澄清这个途径的活动。
这些数据支持一个代谢物之间的联系,新陈代谢,和表观遗传调控(总结表1),但它仍然是很难定义这种关系在多能细胞。仍然有需要了解更全面的规定多能干细胞代谢,代谢途径的相关活动,在途径活性养分有效性的影响。她et al .(2015)的研究已经确定了葡萄糖作为乙酰辅酶a的源,与醋酸与组蛋白乙酰化水平的可用性在多能干细胞,分化和衍生品。重合与分化代谢的变化(76年),低水平的H3K9ac已经启动后观察分化与胚胎干细胞相比,(56,80年),以及其他全球表观遗传的变化格局(43,44]。可以想象,调制的代谢中间物池可以促进这些动力学和表观遗传变化的普遍性质与分化的启动。
6.5。其他潜在的路径修改后生监管机构的活动
多能细胞在胚胎和文化正准备接受最广泛的表观遗传调控事件会发生在生物体的寿命或在ES细胞分化,分别。毫不奇怪,这些细胞内的代谢途径似乎将改变活动,可能提供或限制修改捐赠者的池,如山姆和乙酰辅酶a、反应与代谢调控信号的过程。我们的知识代谢定位的多能细胞,然而,非常稀少。很有可能,类似的角色多能性的其他代谢途径,细胞状态转换,血统规范将显示。途径还有待检查包括生物合成途径,如己醣胺生物合成途径和许多氨基酸合成途径,营养传感机制,和代谢调节机制,如组蛋白去乙酰酶抑制剂的sirtuin蛋白家族。
O-GlcNAc转移酶(油气痕迹)对ES细胞生存能力和损失至关重要的基因破坏胚胎发生(81年)和ES细胞自我更新(82年]。最近,油气痕迹被证明将优先与转录开始网站的胚胎干细胞的基因和调节基因表达的基因参与代谢和信号通路。油气痕迹与Tet1 associates在这些细胞,在一个复杂和Tet1促进DNA结合油气痕迹的83年]。人们很容易推测油气痕迹影响基因调控与Tet1通过本地化的表观遗传修饰在基因启动子。油气痕迹的活动似乎是细胞内的多效性的和替代机制的基因激活和抑制可能占油气痕迹的活动。colocalization进一步的油气痕迹,Tet1 H3K4me3 hypomethylated, CpG-rich基因启动子可能维持这些地区免费表观基因组的甲基化与调节维持多能性状态。
众所周知,SIRT1, sirtuin蛋白组蛋白脱乙酰酶家族的一员,表达在胚胎和胚胎干细胞(84年- - - - - -86年]。衬衫的抑制胚胎囊胚发展的负面影响,增加活性氧的生产(87年,88年]。在多能细胞,SIRT1水平下调细胞开始分化(84年,89年]。这些蛋白质已被证明在链接扮演关键角色的代谢物表观基因组作为传感器的环境刺激,调节代谢途径,和调节组蛋白和非组蛋白的乙酰化作用的基质(看过的90年])。还有待决定如果任何角色SIRT1在早期胚胎和组蛋白乙酰化的多能细胞归因于SIRT1-mediated调制和表观基因组。
7所示。复制在活的有机体内环境和细胞状态在体外
在利基多能细胞的代谢平衡,配置为供应增长和维护所需的代谢物的DNA,但准备应对挑战,将被放置在细胞分化和特别的要求大规模的DNA改造伴随分化的早期事件。优化在体外文化条件多能细胞主要集中在传播多能细胞,分化能力,严重karyotypically正常。假定在体外文化条件下,基于常用的媒体组织培养和开发重点生长因子调控,维持细胞的新陈代谢。众所周知,共同的文化媒体不适合胚胎培养、显著提高胚胎生存能力取得了通过开发媒体接近生理环境(91年]。我们更大的理解不仅代谢物如何影响细胞生理学,而且表观遗传学,对媒介的影响提出了疑问代谢物浓度多能表观基因组和细胞状态。
培养基的组成可以显著影响代谢途径中使用多能细胞,和培养条件的变化可能构成的变化,存在于研究阐明多能新陈代谢。我们已经表明,血清补充和补充血清替代者的人类ES细胞培养改变了生产和消费的氨基酸和葡萄糖摄取增加了细胞(92年]。相比其他人,然而,我们无法显示改变新陈代谢的诱导分化,影响我们把维护基地在分化培养基成分的实验(92年]。同样,天真和影射ES细胞代谢差异可能仅仅反映了基地中可变性。周et al。(2012)认为代谢改变与细胞状态没有认识到改变基础的潜在影响媒体(93年]。相比之下,凯里et al .(2015)表明,谷氨酰胺可以独立于细胞独立基础的媒体。显然有细胞代谢差异;然而很难区分真正的代谢差异当基础培养基成分不是维护。
许多协议建立天真的多能性最近开发人类细胞(94年- - - - - -97年]。这些方法使用不同的培养条件,建立固有的潜在的差异代谢物使用。这些变化在新陈代谢的结果可能不影响多能性、分化能力,或者重大核型但可能导致重要的表观基因组的改变。自我更新和分化过程中表观遗传编码可能会延续,未来可能影响细胞活动。我们提倡需要理解代谢之间的相互作用和培养基,使胚胎(真正的优化发展98年,99年)和多能干细胞(9]。
在细胞代谢异常与表观遗传的改变,导致多种疾病包括癌症(One hundred.,101年]。因此,它将是重要的建立代谢调节机制背后多能干细胞表观遗传学多能性和分化并检查代谢扰动的影响表观遗传控制,以确保这些细胞分化及其衍生品展览正常生理和并不倾向于疾病。
7.1。氧气:被遗忘的代谢物
大多数的组织培养,包括大多数的多能细胞培养,进行大气中氧的存在(~ 20%)。的在活的有机体内环境prevascularisation胚胎发展构成了一个相对低氧环境(2 - 8%)。离开文化生理氧浓度显著影响胚胎发育。而胚胎有能力发展中低于20%的氧气,这是与DNA碎片(增加有关102年- - - - - -104年),改变基因(105年,106年)和蛋白质组配置文件(107年),和摄动代谢活动91年,108年]。大气中的氧气引起的变化是不一致的与囊胚的可行性99年]。尽管胚胎生理要求氧和大气中的氧气在胚胎生存能力的负面影响,细胞胚胎的衍生品,包括多能细胞,通常有教养,表现为20%的氧气。
我们有记录氧依赖性的多能细胞代谢的变化,发生在缺乏公开的标准衡量的变化在人类胚胎干细胞自我更新(109年]。别人所描述的类似的代谢物的变化使用氧气反应(110年- - - - - -112年),符合一个守恒的细胞反应氧的可用性(39]。此外,氧的可用性可以显著影响多能表观基因组。增加了5′methylcytosine染色在应对高氧气被描述在胚胎植入前的胚胎113年),增加SIRT1的表达式和TET1也报道(114年]。维护低氧下的胚泡的完整性可能由HIF2(105年]。HIF2已被证明是负责长期适应缺氧在人类胚胎干细胞(115年),直接绑定到OCT4、NANOG SOX2近端启动子在人类胚胎干细胞培养在低氧浓度(116年]。甲基化OCT4缺氧反应的元素()一定是在人类胚胎干细胞被H3K36me3显著增加,5%的氧气条件下转录激活的标志,而大气中的氧气。在NANOG SOX2人力资源,人类胚胎干细胞维持在大气条件下表现出高H3K9me3水平,代表转录沉默的一个标志,显著降低H3K4me3和H3K36me3相比细胞在低氧条件下培养116年),符合一个更封闭的构象与大气中的氧气文化染色质。
用于分离人类ES细胞的氧浓度已被证明影响X失活状态,与培养下生理氧气能够保持主动X染色体(117年]。相比之下,那些在大气条件下培养容易灭活一个X染色体。的衬衫活动是改变细胞氧化还原反应包括氧化应激(看过的118年]),可能是一种机制,通过这种机制oxygen-regulated建立了表观基因组的变化。另外,低氧诱导因子激活已被证明在肝癌细胞上调MAT2A转录,山姆水平降低,导致DNA脱甲基作用[119年]。多能干细胞是否存在类似的关系仍有待确定。
7.2。监管的脱甲基维生素C
维生素C是常被添加到文化作为一种抗氧化剂,它可以调节DNA甲基化动力学在人类和小鼠多能干细胞,作为主要监管机构的建立120年)和组蛋白demethylases Jumonji家庭(121年]。人类胚胎干细胞的培养没有添加维生素C DNA甲基化增加,而维生素C能促进DNA脱甲基的存在(122年]。在小鼠ES细胞,补充维生素C会导致快速增加5 hmc,依赖于春节活动(123年]。添加维生素C文化建立了表观遗传景观更类似于胚胎的内细胞团(123年),有可能揭示维生素C的作用在文化独立于它的抗氧化能力。
8。Metaboloepigenetics多能干细胞生物学的重要性
很明显,代谢可以推动细胞通过与信号交互状态转换机制,通过修改表观基因组更微妙。不太清楚的是如何扰动在随后的效力和细胞功能代谢的影响。扰乱新陈代谢的结果是可遗传的改变DNA传递给子细胞。
在体外胚胎培养被发现与改变有关DNA甲基化和印迹位点的表达124年- - - - - -128年]。辅助生殖技术涉及到胚胎的文化与代谢性疾病的早期发病有关(看过的129年])和表观遗传疾病的频率增加130年在后代。印迹异常后在体外文化与不同的媒体中描述胚胎培养配方(131年]。这些媒体的关键差异提供氨基酸配方,提供一个代谢物浓度之间的相关性在胚胎和终身的环境影响产生的孩子。建立正确的重要性在胚胎代谢调节文化不可低估。仍有很多工作要做在培养基的优化。研究各种商用媒体配方的影响人类ES细胞表观遗传本质上是缺乏。
独立派生人类ES细胞显示相对稳定的甲基化模式(132年)和共享相同的基因组安排(40]。这些分析不包括表观遗传的整体景观和较小的细胞系之间可能存在的差异和文化的规范是什么细胞间和细胞胚胎。一个严重依赖糖酵解,默认情况下,激活调节表观遗传景观的主要通路,提供足够的中间体,使维护多能性。然而,培养基配方的细微差别可能会影响特征明显更少的修改。ES细胞隔离必须的过程,由于其本身的性质,细胞选择性压力,可能会解决,在某种程度上,通过对表观基因组遗传修改嵌入基因表达的变化。显著差异在人类ES细胞的转录组和ICM细胞已被证明,证明ES细胞的过程推导显著改变基因表达(133年),为这个选择过程提供证据。适应还可能涉及到修改细胞的代谢物。胚胎干细胞,多能标准措施,可以显示不同的代谢,代谢适应可能发生。这将是重要的评估这些代谢物的变化是否影响,反过来,多能表观基因组,诱发分化潜能和/或细胞功能的变化。这些研究是不完整的,下一代测序需要建立一个全面的描述ES细胞表观基因组的文化识别的影响文化适应在表观遗传完整性。
8.1。从分化多能细胞状态转换是伴随着代谢的变化
多能性转录因子的引入,体细胞带来进步的体细胞表型和收购pluripotent-like细胞状态(诱导多功能干细胞;“诱导多能性”细胞)。重组pluripotent-like状态需要改造的新陈代谢(看过的9由[])和染色质组织(审查134年])。全基因组染色质重塑发起针对重编程因子表达式(135年)建立表观遗传剖面类似于胚胎干细胞,主要发育基因仍将在二价(压抑但激活做)状态(136年,137年]。收购pluripotent-like状态必然导致糖酵解的upregulation氧化磷酸化的差别,对这些77年,78年,138年]。适当调节新陈代谢是至关重要的建立多能细胞状态,可以提高或减少重编程效率的能力通过代谢物调制,包括通过调制的氧气浓度(77年,139年,140年]。尽管能力获得多能的特点,“诱导多能性”细胞生理上并不等同于ES细胞同行。
代谢差异ES和iPS细胞已经被描述。水平的提高山姆途径代谢产物和不饱和脂肪酸的差异在iPS细胞(141年),这表明重组这些细胞的新陈代谢不完整或不安。我们有记录改变“诱导多能性”细胞调节新陈代谢的能力以应对氧气(哈维et al,未发表)。“诱导多能性”细胞已被证明保留一个后生记忆的体细胞来源(142年- - - - - -145年),这是延续通过分化144年- - - - - -146年]。可以想象,更高层次的全球“诱导多能性”细胞中DNA甲基化是新陈代谢的不适当的监管重组的证据。几个因素用来重组体细胞被监管者的新陈代谢。例如,Lin28a已经被证明可以提高mrna的翻译几个代谢酶,从而调节糖酵解和OXPHOS147年]。这些发现提出问题,这些因素将潜在的角色,如果有的话,在调制多能干细胞代谢和它们对“诱导多能性”细胞代谢的影响是如何反映在表观基因组中。表观遗传修饰可能影响iPS的生理疾病模型或这些细胞在药物发现的效用或再生。
9。结论
许多因素影响的相对活性代谢途径和代谢产物的组成池内的细胞,包括细胞外环境,细胞的调节:环境界面,身份和细胞功能,压力对细胞通过细胞外和细胞内的监管机构。代谢产物,如乙酰辅酶a和山姆,连接新陈代谢信号和基因表达。这些化合物的可用性也影响表观遗传修饰在细胞水平较低导致减少乙酰化和甲基化,分别。证据,作为综述,表明代谢物起着决定性的作用在细胞的表观遗传调控,包括多能细胞谱系。从现有证据同样明显的是,有很多工作需要描述代谢的作用的表观基因组,然后了解生物新陈代谢项目受表观遗传机制控制。集成的代谢改变与细胞是必要的,大多数的研究到目前为止未能描绘细胞状态之间,或者更具体地说,解决它们之间的转换。
在文化、细胞的能力适应其环境可能反映在表观基因组的变化。这些变化选择促进生存的环境中营养所定义的可用性和影响通过代谢途径的活动延续细胞内的人口。尽管这方面的知识,不同的媒体用于多能干细胞的影响维护和iPS细胞生成不欣赏,在细胞内介质的质量通常是没有代谢分析评估。与胚泡内细胞团,一个不恰当的营养成分多能细胞可能妥协的文化“代谢富达”和下游产生重大影响发展和生存能力。很可能这些影响是通过表观遗传调节介导的,而且,在文化、改变与细胞分裂将会延续。选择新陈代谢的变化可能会限制代数余子式的可用性,长期像山姆和乙酰辅酶a,表观基因组遗传改变。这些细胞可能会影响女儿的身份,偏见分化潜能,或妥协的功能分化的衍生品,可能在微妙但重要的方面。
阐明的动力学和控制机制,细胞反应代谢物可用性将提供操纵细胞命运的机会。建立适当的营养平衡,以支持正在进行的开发需要一个更清晰的了解途径调节代谢的调节控制和识别机制所摄动的特定的环境条件。未来的研究应该解决的影响代谢适应多能干细胞的各种培养条件没有改变的基本配方,分化、代谢调节和新陈代谢的差异如何影响细胞的功能。表观遗传景观可以影响疾病,包括癌症和神经退行性疾病,适当的调节这些酶通过代谢途径将依靠建立生理状态下支持连续的多能干细胞。文化协议对下游的影响表观遗传概要文件和分化细胞的功能需要调查通知任何有害的负面改变细胞生理学的条件。
缩写
| 交流: | 乙酰化作用 |
| ACL: | ATP柠檬酸裂解酶 |
| : | Alpha-ketoglutarate |
| ATP: | 三磷酸腺苷 |
| F-6-P: | Fructose-6-phosphate |
| G-6-P: | Glucose-6-phosphate |
| G6PD: | Glucose-6-phosphate脱氢酶 |
| Glu: | 谷氨酸 |
| 谷胱甘肽: | 谷胱甘肽 |
| 帽子: | 组蛋白乙酰转移酶 |
| HMT: | 组蛋白甲基转移酶 |
| HCY: | 同型半胱氨酸 |
| JMJ: | Jumonji demethylases |
| 主持人:5 | Methylcytosine |
| 5 hmc: | Hydroxymethylcytosine |
| LDH: | 乳酸脱氢酶 |
| 我: | 甲基化 |
| 满足: | 蛋氨酸 |
| 河畔+: | 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 |
| NADH: | 减少NAD的形式+ |
| 辅酶ii+: | 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 |
| NADPH: | 减少形式的辅酶ii+ |
| O2: | 氧气 |
| O-GlcNAc: | O-linked乙酰基糖基化 |
| OXPHOS: | 氧化磷酸化 |
| PDH: | 丙酮酸脱氢酶 |
| PKM2: | 丙酮酸激酶平方米 |
| 购买力平价: | 磷酸戊糖途径 |
| 正方观点: | 脯氨酸 |
| 长官: | -Adenosylhomocysteine |
| 山姆: | -Adenosyl蛋氨酸 |
| 衬衫: | Sirtuins蛋白 |
| 柠檬酸: | 三羧酸循环 |
| 春节: | 一千零一十一年易位demethylases |
| Tdh: | 苏氨酸脱氢酶 |
| 四氢呋喃: | Tetrahydrofolate |
| 5 -四氢呋喃: | 5-Methyltetrahydrofolate |
| 刺: | 苏氨酸。 |
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。