关闭

物种特异发育速率的代谢调节

Margarete Diaz-Cuadros,Teemu P. Miettinen, Dylan Sheedy, Carlos Manlio Díaz-García, Svetlana Gapon, Alexis Hubaud,加里·耶伦Scott R. Manalis, William Oldham, Olivier Pourquié

预印本发布于2021年8月30日https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.08.27.457974v1.abstract?%3Fcollection=

老鼠与人类胚胎发育-老鼠胚胎是赛跑的王牌!发育速度代谢调节的研究。

选择 Sundar Naganathan茱莉亚Grzymkowski

背景

不同物种的胚胎发育速度差异很大。在哺乳动物中,体型较大的物种往往比体型较小的物种发育速度更慢,寿命更长。例如,人类胚胎的发育速度大约是小鼠胚胎的2-3倍,尽管它们的胚胎总体大小相似,经历了相同的一系列发育步骤。最近的研究发现,造成这些差异的根本原因是两个物种之间产生和降解蛋白质的速度不同1、2.然而,是什么导致了这两个物种不同的生化速度仍然未知。在这篇预印本中,Diaz-Cuadros等人通过研究代谢在特定发育过程(称为分段时钟)中调节发育速率的作用,为理解这一现象提供了第一个线索。

分段时钟是脊椎动物组织尺度的节律模式系统。局部同步的基因转录波从胚胎后部扫到前部,为形态体的形成提供时空信息。体是胚胎中胚层的分节组织,是成人肌肉骨骼系统的起源。体以一种周期性的方式形成——在人类胚胎中大约每5小时形成一次,在小鼠胚胎中大约每2.5小时形成一次——这种周期性出现在周期性的转录波中。考虑到人类和小鼠之间的周期差异,分段时钟可以用作一个强大的系统,以探测在开发过程中驱动差异速率的底层进程。为了跟踪周期性转录波,作者先前建立了一种方法来重现分段时钟在体外多能干细胞(PSC)3..在这里,同样的在体外系统被用来研究代谢在分割时钟的差异周期的作用。

重要发现

作者首先开发了一种协议,在相同的培养基条件下,将小鼠和人类PSCs分化为预发育中胚层(表现出分段时钟振荡的细胞类型)。在小鼠细胞中,加速的分化效率、更快的细胞周期速率和更频繁的振荡表明,小鼠细胞和人类细胞之间的发育速度大约有两倍的差异(图1A)。观察到的发育速度是细胞自主的,因为分离细胞的分割时钟周期没有改变,当人细胞与小鼠细胞在低密度共培养时也没有改变。

为了研究这种差异发育速率的来源,我们确定了氧消耗速率(OCR)和糖酵解质子流出速率(glycoPER),两者都作为代谢速率的替代指标。令人惊讶的是,老鼠和人类的这两种比率是相似的。然而,由于人类细胞的总质量和体积是小鼠细胞的两倍,因此得出的结论是,只有考虑到质量特异性代谢率,即细胞每克重量消耗能量的速率,才能进行良好的比较。相应地,在小鼠细胞中发现质量特异性OCR和glycoPER的速度是在人细胞中的两倍(图1B)。通过对葡萄糖消耗、乳酸分泌和谷氨酰胺消耗的多项独立测量,以及对小鼠和人类分化的神经前体细胞的比较,进一步证实了小鼠细胞中更快的质量特异性代谢率在体外从已经。

图1。预印本的关键发现。根据图1-4,Diaz-Cuadros等人,2021年

作者接着测试了新陈代谢的哪个方面控制着发育速度。已知分段时钟振荡会受到呼吸扰动而非糖酵解的影响,因此我们对人前体细胞中胚层(PSM)细胞进行了电子传递链(ETC)小分子抑制剂的处理。在人PSM细胞中抑制ETC复合物I, III和IV会导致分割时钟的显著延长和振荡动力学的衰减,而抑制ATP合酶则没有影响。这些结果表明,ETC而不是ATP合酶的活性参与调控分段时钟。为了进一步验证细胞ATP水平不调节分段时钟的假设,作者在多种条件下培养人PSM细胞,增加细胞ATP浓度。这些条件并没有缩短分割时钟周期和增加细胞周期长度,表明增殖较慢。因此,作者得出结论,ATP水平的增加并不介导小鼠细胞的加速发育速度。

考虑到高NAD+/NADH比值与增殖率增加之间的联系4,然后作者测试了NAD+可用性在分割时钟上的重要性。人PSM细胞内的NAD+/NADH通过药理学或操纵细胞培养基可导致分割时钟周期的延长。这种效应可以通过重新生成NAD+水平来恢复,这表明分段时钟周期取决于NAD+水平(图1C)。

先前的研究表明,物种之间发育速度的差异部分是由于蛋白质生产的差异1、2.作者对此进行了验证,并表明小鼠PSM细胞具有质量特异性翻译速率,是人类PSM细胞的两倍(图1D)。此外,翻译速度减慢导致了人类PSM细胞的分割时钟周期的显著延长。重要的是,ETC抑制也延长了分割时钟周期,降低了翻译速率,其对时钟周期的影响程度随翻译速率抑制程度的变化而变化。进一步的实验表明,线粒体活性在翻译速率的上游起着调节时钟周期的作用。一般来说,生物钟的变化也可能源于蛋白质降解率的变化。然而,与蛋白质生产的扰动相比,时钟振荡被发现对蛋白酶体活性的扰动更不敏感。综上所述,作者得出结论,线粒体活动驱动翻译速率,从而调节分割时钟周期和发育速率。

为什么我们喜欢这个预印本

  1. 这是第一个系统地比较胚胎发育期间不同物种间质量特异代谢率的研究。通过这样做,这项工作显示了克莱伯定律,一个长期存在的身体质量和代谢率之间的异速关系,在胚胎发育期间也是有效的。
  2. 从理解癌细胞增殖和衰老相关过程的角度来看,这一发现很有趣,至少在分段时钟周期的背景下,发育速度对NAD+水平敏感,这两种过程都依赖于NAD+水平。
  3. 这项工作可能为未来发展基于干细胞的治疗奠定了基础,在那里,控制分化速度可以帮助加速疾病建模。

对作者开放的问题

  1. 为什么控制分割时钟周期(比较图3b, 3e和3i)在不同的实验中是可变的?如果您在控制组之间进行统计测试,它们会有显著的不同吗?同样,dca处理条件下的时钟周期与图3b中的控制时钟周期相匹配。鉴于此,你如何解释在这些条件下时钟周期的变化?
  2. 体内,先前的研究表明,电子传递链和氧化代谢在前侧具有较高的活性梯度5、6.考虑到这项工作的结果,这是否意味着老鼠和人类细胞之间的差异时钟周期可以解释为代谢率的功能,仅在前部?
  3. 作者是否计划研究线粒体/代谢基因突变是否与分段时钟或体细胞发生缺陷有关?是否已经建立了任何联系?
  4. 从进化的角度来看,仍然不清楚为什么不同物种的代谢率差异很大。作者对此有何评论?
  5. 对于为什么特定物种的胚胎会改变蛋白质生产速率而不是降解速率来调节整体发育速度,有什么推测吗?

引用:

  1. Matsuda, M.等人,物种特异性分割时钟周期是由于不同的生化反应速度。科学,2020。369(6510): 1450页。
  2. Rayon, T.等人,物种特异性的发育速度与蛋白质稳定性的差异有关。科学,2020。369 (6510): p . eaba7667。
  3. Diaz-Cuadros, M.等人,人体分割时钟的体外表征。自然,2020年。580(7801): 113 - 118页。
  4. Luengo, A.等人,相对于ATP,对NAD(+)的需求增加驱动有氧糖酵解。摩尔细胞,2021。81 (4): p。691 - 707. - e6。
  5. Özbudak等,肌肉前体分化过程中关键生理过程的时空划分。PNAS上,2010年。107(9): 4224 - 4229页
  6. Oginuma等人,羊膜胚胎体轴伸长过程中,糖酵解活性的梯度协调FGF和Wnt信号。Dev细胞,2017。40: p。342 - 353

标签:分化率电子传递链基因振荡新陈代谢多能干细胞somitogenesis

发布日期:2021年9月17日

doi:https://doi.org/10.1242/prelights.30666

读预印本 (未评级)




作者的回应

Olivier Pourquie和Margarete Diaz-Cuadros分享

  1. 事实上,人类PSM细胞的平均时钟周期在不同的实验中是不同的,从4.6小时到4.9小时不等。我们不了解这种变异的来源。可能的解释包括分化效率、细胞密度甚至孵育条件的细微差异。任何两个给定的控制条件之间的非配对t检验很少有统计学上的显著差异,尽管我们承认这种情况偶尔会发生。我们附上了一个带有几个控制实验的图表,这样读者就可以对我们系统的可变性有一个感觉。因此,我们总是在同一实验中比较对照条件和处理条件的周期。例如,在DCA的情况下,分割时钟的放缓是温和的,我们重复了多次独立的实验,DCA处理的细胞的周期总是更长,即使在不同的实验中平均值变化0.1-0.3小时。

  2. 本预印本中描述的实验是在PSM后端命运的细胞上进行的,这些细胞表现为warburg样代谢,伴有高有氧糖酵解。我们没有对前PSM细胞进行重复的实验,所以我们不应该做太多的推测。然而,Warburg代谢与NAD的需求增加有关+,所以后PSM的时钟周期比前PSM快在活的有机体内可能反映了NAD+沿轴的可用性。我们还没有对此进行测试——当然,对于前PSM的分段时钟振荡减慢还有其他多种可能的解释——但这是一个有趣的假设。
  3. 电子传递链组分的突变会减缓线虫的发育秀丽隐杆线虫延长多种生物的寿命,包括老鼠。在分段时钟的情况下,我们不知道线粒体或代谢基因的突变,已知破坏体细胞发育。然而,缺氧可导致椎体缺损已经被证实。我们计划使用遗传方法来调节我们的代谢活动在体外系统,既减缓又加速新陈代谢
  4. 这是我们接下来要解决的核心问题。最终,物种之间一定存在遗传差异,从而导致它们在代谢和发育速度上的差异。我们的最终目标是了解这些物种特定参数背后的遗传和进化基础。
  5. 我们不排除蛋白质降解在调节整体发育速度方面的作用,特别是考虑到我们只测试了它对分割时钟周期的影响。也许长时间尺度的发育事件(如天数而不是小时)更依赖蛋白质降解来调节它们的时间分布。我们还需要强调的是,我们确实观察到了小鼠和人类PSM细胞在蛋白质生产和降解方面的差异,但分割时钟周期只受翻译减少的影响,而不受蛋白酶体活性减少的影响。因此,真正的问题可能是,尽管大量的理论工作表明并非如此,是什么使得分段时钟对全球蛋白质周转率的变化相对不敏感?一种可能是,蛋白质的合成和降解必须同时减少,以减缓分割时钟。在环己酰亚胺处理的情况下,会减慢整体蛋白质翻译速度,我们没有测试该处理是否通过减少蛋白酶体成分的合成间接减慢了蛋白质降解。

你说

你的电邮地址不会被公布。必填字段被标记

本网站使用Akismet来减少垃圾邮件。了解如何处理您的评论数据

注册后可根据您的喜好定制网站并接收提醒

注册在这里

preLists发育生物学类别:

Visegrád发育生物学团体学会第2次会议

Visegrád发展生物学团体学会第2次会议的预印本(2021年9月2-5日,匈牙利塞格德)



列表的 Nandor利普达克

成纤维细胞

成纤维细胞生物学的进展preList探索了成纤维细胞世界的最新发现和预印本。准备好沉浸在这张为成纤维细胞爱好者和爱好者创建的列表中吧。在这里,我的目标是包括成纤维细胞生物学、异质性、命运、细胞外基质、行为、地形、单细胞图谱、空间转录组学及其基质的预印本!



列表的 Osvaldo孔特雷拉斯

EMBL合成形态发生:从基因电路到组织结构(2021年)

在2021年的#EESmorphoG虚拟会议上提到的预印本列表。



列表的 亚历克斯前夕

EMBL会议:从功能基因组学到系统生物学

在“来自功能基因组学和系统生物学”的虚拟EMBL会议上展示的预印本,2020年11月16-19日



列表的 耶稣Victorino

单细胞生物学2020

在威康基因组校园单细胞生物学2020年会议上提到的预打印列表。



列表的 亚历克斯前夕

发育生物学学会第79届年会

SDB 2020预印本



列表的 伊朗人萨尔瓦多·马丁内斯,马丁·埃斯特曼

沼泽2020

2020年欧洲神经科学学会联合会(FENS)虚拟会议期间展示的预印本集



列表的 安娜Dorrego-Rivas

平面电池极性- PCP

本预列表包含了关于平面细胞极性(PCP)在分子、细胞和组织水平上在各种模式生物中的最新发现的预印本。



列表的 安娜Dorrego-Rivas

细胞极性

本文综述了近年来在细胞极性方面的研究成果。它包括从上皮极性、平面细胞极性到前后极性的各种形式的细胞极性的研究。



列表的 Yamini Ravichandran

TAGC 2020

预印本最近在2020年4月22-26日的虚拟联合遗传学会议上展示。# TAGC20



列表的 北冈舞子等人。

3 d Gastruloids

与胃泌素相关的预印图(胚胎细胞3D聚集获得的体外早期发育模型)。更新至2021年7月。



列表的 保罗·杰拉德·桑切斯和斯蒂法诺·维亚内洛

ASCB EMBO 2019年年会

12月7日至11日在华盛顿举行的2019年ASCB EMBO会议上展示的预印本集



列表的 Madhuja Samaddar等人。

EDBC阿利坎特2019

2019年10月23-26日,在阿利坎特举行的欧洲发育生物学大会(EDBC)上展示了预印本。



列表的 Sergio Menchero等人。

EMBL眼见为实-想象生命的分子过程

2019年10月9日至12日在海德堡EMBL上举行的“眼见为实”会议上讨论了预印本



列表的 戴伊实验室

2019年SDB第七十八届年会

2019年7月26-30日,在波士顿举行的SDB会议上展示了预印本。预列表将在会议期间更新。



列表的 亚历克斯前夕

肺病与再生

这个预印本列表汇编了肺生物学领域的亮点。



列表的 Rob Hynds

2019年青年胚胎学家网络会议

5月13日,伦敦弗朗西斯克里克研究所,2019年青年胚胎学家网络会议上展示了预印本



列表的 亚历克斯前夕

发育过程中的模式形成

这个预列表的目的是整合关于在发育过程中控制模式的机制的结果,从涉及过程的基因到自然界中模式形成的理论模型。



列表的 Alexa回来

BSCB/BSDB 2019年年会

在2019年BSCB/BSDB年会上提交的预印本



列表的 戴伊实验室

斑马鱼免疫学

一个前沿研究的汇编,使用斑马鱼作为一个模型系统,以阐明新的免疫机制在健康和疾病。



列表的 Shikha纳亚尔
关闭