《Free Radical Biology and Medicine》：Fatty acid oxidase Ehhadh mediates stem cell fate remodeling via mitophagy activation
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细胞命运重编程中Ehhadh调控脂肪酸氧化与线粒体稳态的机制研究。通过敲低Ehhadh发现其促进体细胞重编程为iPSCs而抑制ESCs分化的双功能作用，揭示脂肪酸氧化效率影响线粒体内膜转运体TIMM23稳定性，激活AMPK/ULK1介导自噬，从而调控细胞命运。该轴为通过调节脂肪酸氧化和线粒体更新实现干细胞命运调控提供了新策略，对再生医学和干细胞治疗有重要启示。
Jingxuan Zhou|Longyun Zhang|Tingjun Liu|Jiatong Sun|Yuxi Sun|Shaorong Gao|Kerong Shi
山东农业大学动物科学技术学院，中国山东省泰安市，271001
摘要
协调有序的细胞命运重塑对于组织修复/再生至关重要。外部信号可以触发干细胞从自我更新状态转变为分化起始状态。然而，基于细胞命运重塑的疗法和/或干细胞移植存在保留能力有限和/或效率低下的问题。本研究发现，调节脂肪酸代谢流可以促进细胞命运重塑。敲低Ehhadh（一种双功能脂肪酸氧化酶）能够促进体细胞重编程为iPSCs（诱导多能干细胞），但会抑制ESCs（胚胎干细胞）的分化。从机制上讲，Ehhadh的敲低会破坏线粒体稳态，导致结构损伤和功能障碍，这是通过影响线粒体内膜转运蛋白TIMM23的稳定性实现的。同时，Ehhadh的敲低会激活AMPK/ULK1通路，从而引发线粒体自噬。线粒体分裂/线粒体自噬抑制剂Mdivi-1显著减弱了Ehhadh敲低引起的多能蛋白表达，但增强了Ehhadh敲低抑制的三种胚层标记物的表达，这证明了Ehhadh调节与线粒体自噬或细胞命运重塑之间的因果关系。总之，脂肪酸氧化酶Ehhadh通过线粒体自噬介导细胞命运重塑。Ehhadh→线粒体自噬→细胞命运重塑这一途径为通过调节脂肪酸氧化效率和/或针对线粒体再生和重组途径来操控干细胞命运（维持干细胞特性或促进分化）提供了可能策略，为药物开发、器官再生和干细胞治疗提供了新的思路。
引言
细胞命运重编程在再生医学、抗衰老、癌症治疗和动物繁殖领域得到了广泛应用。关于细胞命运可塑性和发育潜能调控机制的研究为干细胞治疗、组织修复和器官再生提供了理论基础和方法策略，也为保护珍稀动物遗传资源、突破远缘杂交障碍提供了新方向1, 2。就器官再生而言，成年肝脏在受到损伤（如脂肪肝）后具有再生潜力。轻度脂肪肝通常可以通过诱导肝脏广泛增殖并触发细胞命运重塑（如转分化和去分化为肝祖细胞）来缓慢自我修复[3]，从而实现肝脏功能的优异再生和恢复。目前，基于细胞的疗法是修复和再生受损组织/器官的有希望的策略。此外，将各种干细胞移植到受损器官中也显示出了积极效果。然而，基于细胞的疗法和/或干细胞移植仍存在保留能力有限和/或效率低下的问题。为了克服这些障碍，有必要加深对细胞命运重塑调控机制的理解，以提高受损组织或器官在原始环境中的修复效率，并增强器官的保留能力。
细胞命运重塑既包括成年组织中的再生反应，也包括胚胎中的有序发育。在正常器官中，自我更新的成体干细胞持续维持细胞池。在受损组织中，成体干细胞通过分化耦合的自我更新来实现细胞补充，从而维持组织修复和/或稳态。某些内在和/或外在信号可以触发从维持多能性的通路向特定谱系分化通路的转变。协调有序的细胞命运重塑对胚胎发育至关重要。胚胎干细胞分化和体细胞重编程是典型的细胞命运重塑模型。在大多数哺乳动物物种中，全能受精卵会经历显著的细胞分化，最终三个胚层（外胚层、中胚层和内胚层）会发育成各种组织和器官[4]。而从囊胚中提取的胚胎干细胞（ESCs）具有多能性，并且能够在体外持续自我更新[5]。体细胞重编程是指将终末分化的细胞重编程为具有自我更新和分化能力的多能细胞的过程。其本质是在不改变基因序列的情况下重新编程现有的细胞表观遗传特征，从而改变代谢途径，重建代谢稳态，并进一步重塑细胞命运[6]。Yamanaka因子OSKM介导的诱导多能干细胞（iPSCs）重编程技术简单且无伦理问题，为生成可用于自体细胞替代治疗和疾病建模的患者特异性干细胞迈出了重要一步2, 7，为再生医学和患者特异性细胞治疗带来了新的希望。然而，低重编程效率是其应用价值的关键瓶颈8, 9, 10。因此，深入了解调控细胞命运重塑的机制非常重要。
关于ESCs分化和iPSCs重编程的机制，细胞命运重塑过程中涉及显著的代谢重编程，各种代谢途径的变化率显著[11]，表明体细胞的主要能量来源依赖于线粒体氧化磷酸化（OXPHOS），而ESCs主要依赖于糖酵解途径。在重编程过程中，细胞代谢转向糖酵解，OXPHOS相对降低；相反，在ESCs分化过程中，能量代谢转向OXPHOS，糖酵解流量减少[12]。在将体细胞重编程为iPSCs的过程中，能量代谢呈现出“类癌”代谢模式，即经典的“Warburg效应”13, 14。干细胞分化通常会导致糖酵解下降和线粒体氧化增加，从缺氧环境转变为正常氧合环境[15]。除了在自我更新和分化过程中对糖酵解和OXPHOS流量的精细调节外，调节表观遗传修饰的代谢物（包括组蛋白甲基化和乙酰化）也被证明是干细胞命运的关键调节因子。最近还有研究表明，在体细胞重编程过程中，复杂的表观遗传、转录和代谢网络调节有助于促进糖酵解和多能性[16][20][18]。干细胞分化和命运决定涉及一系列协调有序的事件。尽管线粒体介导的代谢转换在细胞命运重塑中很重要，但关于线粒体外（如过氧化物酶体）的脂质氧化过程变化对细胞命运决定的影响知之甚少。在这里，我们发现过氧化物酶体L-双功能脂肪酸氧化酶Ehhadh（烯酰-CoA水合酶和3-羟基酰基-CoA脱氢酶）的表达调控在体细胞重编程（iPSCs）和ESCs分化过程中显著影响细胞命运重塑。在之前的研究中，Ehhadh被确定为脂肪肝组织中蛋白质-蛋白质网络中的关键脂肪酸氧化酶，其乙酰化水平在能量代谢调控中起关键作用，表明关键的氧化酶驱动的脂肪酸代谢紊乱参与了脂肪肝的发病机制[21]。轻度脂肪肝通常可以恢复为正常肝脏，所识别的关键因子Ehhadh可能参与肝脏再生。在本研究中，Ehhadh的敲低不仅抑制了脂肪酸氧化和脂解途径，导致脂质沉积，还引发了线粒体结构紊乱、膜通透性改变以及位于线粒体内膜的OXPHOS抑制，从而激活了mTOR/ULK1介导的线粒体自噬，最终促进了体细胞重编程并抑制了ESCs分化。总之，脂肪酸氧化酶Ehhadh通过激活线粒体自噬来驱动细胞命运重塑。
部分内容摘要
Ehhadh表达调控改变了体细胞重编程的效率
多项研究表明，多种脂质代谢途径与干细胞的多能性相关。选择过氧化物酶体L-双功能脂肪酸氧化酶Ehhadh作为靶点，探讨其对细胞命运决定和iPSCs中潜在机制的调控作用。使用表达Yamanaka因子的小鼠胚胎成纤维细胞（OSKM-OR-MEFs）作为体细胞来源，并将其重编程为多能干细胞。通过以下方法评估重编程效率
讨论
研究表明，Ehhadh过表达会抑制体细胞重编程效率，但促进胚胎干细胞分化，而Ehhadh敲低则会提高体细胞重编程效率，导致重编程细胞中脂质沉积，但抑制胚胎干细胞分化（图1和3）。特别是，由Ehhadh敲低诱导的iPS细胞系表现出优异的干细胞质量和性能，具有多能性
伦理声明
所有动物实验均按照中国科学技术部发布的《实验动物管理条例》（2004年）进行，所有动物繁殖和实验程序均遵循同济大学实验室动物使用指南。
动物
ICR妊娠小鼠购自北京四倍福公司，C57BL/6小鼠购自北京卫通利华公司，OSKM（Oct4、Sox2、Klf4）
CRediT作者贡献声明
Jingxuan Zhou：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草案，数据可视化，验证，软件使用，项目管理，方法学设计，实验设计，数据分析，概念构建。
Tingjun Liu：数据可视化，软件使用，资源获取，方法学设计，数据分析，概念构建。
Longyun Zhang：撰写 – 原始草案，数据可视化，验证，方法学设计，数据分析，概念构建。
Yuxi Sun：软件使用，项目管理
披露声明
作者声明本研究未涉及任何可能构成潜在利益冲突的商业或财务关系。手稿由所有作者共同撰写，未使用人工智能（AI）辅助。
资金声明
本研究得到了山东省自然科学基金（ZR2025MS426）、生物育种-国家重点科技项目（2023ZD0406800）、国家重点研发计划（2021YFD1200900、2021YFD1200400）以及中国科学技术部（2021YFC2700300）的支持。
利益冲突声明
作者声明本研究未涉及任何可能构成潜在利益冲突的商业或财务关系。手稿由所有作者共同撰写，未使用人工智能（AI）辅助。
致谢
我们感谢Cui Guina博士在本项目早期阶段的贡献。感谢Su Zhongqu博士和Xu Yiliang博士提供的有益讨论和建议。同时感谢PTM BioLab和LC-Bio Technologies在蛋白质组学和RNA-seq数据分析方面的协助。
