线粒体TCA循环酶的核定位通过组蛋白乙酰化调控多能性

Nuclear localization of mitochondrial TCA cycle enzymes modulates pluripotency via histone acetylation.

作者信息Wei Li, Qi Long, Hao Wu, Yanshuang Zhou, Lifan Duan, Hao Yuan, Yingzhe Ding, Yile Huang, Yi Wu, Jinyu Huang, Delong Liu, Baodan Chen, Jian Zhang, Juntao Qi, Shiwei Du, Linpeng Li, Yang Liu, Zifeng Ruan, Zihuang Liu, Zichao Liu, Yifan Zhao, Jianghuan Lu, Junwei Wang, Wai-Yee Chan, Xingguo Liu
PMID36460681
发布时间2022-12
DOI10.1038/s41467-022-35199-0

实验完整度

高

含体细胞重编程、PNT、2CLC全能性多模型,并有催化突变体功能验证及乙酰辅酶A、ChIP-seq、ATAC-seq机制验证

主要模型

OG2小鼠胚胎成纤维细胞(MEF)体细胞重编程 EpiSCs向naive状态转变(PNT) OG2 ESCs的2C样细胞(2CLC)全能性获得 畸胎瘤形成(BALB/c-Nude小鼠)

重点核对

重编程效率以Oct4-GFP阳性克隆在第17天计数,SKO或SKOM感染,n=3 nls-Pdha1催化结构域突变(S293A及S232A+S293A+S300A三突变)丧失促进作用 核内乙酰辅酶A含量测定比较Flag、nls-Pdha1与三突变体,核质分离检测 ChIP-seq检测H3K9ac/H3K27ac在TSS附近变化,nls-Pdha1组第4、6天 ATAC-seq/ATAC-see检测染色质开放,每组n=3

摘要

多能干细胞在再生医学和发育生物学研究中具有巨大前景。据报道,包括三羧酸(TCA)循环中间产物在内的线粒体代谢物在多能性中发挥关键作用。本文中我们展示,TCA循环酶包括Pdha1、Pcb、Aco2、Cs、Idh3a、Ogdh、Sdha和Mdh2在体细胞重编程、primed向naive转变以及全能性获得过程中转位至细胞核。核定位的TCA循环酶Pdha1、Pcb、Aco2、Cs、Idh3a促进体细胞重编程和primed向naive转变。此外,核定位的TCA循环酶,尤其是核靶向Pdha1,促进多能干细胞中的2细胞程序。机制上,核内Pdha1增加核内乙酰辅酶A和代谢物池,通过增强组蛋白H3乙酰化导致多能性基因处的染色质重塑。我们的结果揭示了线粒体TCA循环酶在多能性表观遗传调控中的重要作用,其构成了不同多能性获得状态中一种线粒体到细胞核的逆行信号模式。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
TCA循环酶在多能性获得、primed-to-naive转变和全能性获得中是否存在时空定位变化,及其是否调控多能性。
核心机制
核定位Pdha1通过其催化活性增加核内乙酰辅酶A及代谢物池,增强多能性基因处组蛋白H3乙酰化(H3K9ac、H3K27ac)和P300富集,重塑染色质开放结构。
主要证据
免疫荧光和核质分离Western blot显示八种TCA循环酶在重编程、PNT和2CLC中入核;nls-Pdha1及催化突变体功能实验、核内代谢物测定、ChIP-seq/ChIP-qPCR与ATAC-seq/ATAC-see支持机制。
研究意义
揭示线粒体TCA循环酶在多能性表观遗传调控中的重要作用,构成不同多能性获得状态中线粒体到细胞核的逆行信号模式,并为细胞命运决定提供模型。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

检测重编程过程中TCA循环酶的核定位

验证体细胞重编程过程中TCA循环酶是否转位至细胞核

以SKO或SKOM诱导OG2 MEF重编程,分离细胞核进行免疫荧光,并对核质分离组分进行Western blot检测TCA循环酶

2

检测不同多能性状态中的核定位

验证EpiSCs、naive ESCs和2CLC中TCA循环酶的定位

对EpiSCs、OG2 ESCs(naive)和2CLC进行免疫荧光,检测八种TCA循环酶与线粒体标志的核质分布

3

核靶向TCA循环酶对重编程、PNT和全能性获得的功能验证

验证核定位TCA循环酶及其催化活性对多能性获得和转变的作用

构建去除MLS并融合SV40 NLS和3×Flag的核靶向酶,过表达后检测SKO/SKOM重编程效率、EpiSCs的PNT效率和2CLC比例,并引入Pdha1催化位点突变

4

核内代谢物池检测

验证核靶向Pdha1是否改变核内乙酰辅酶A及相关代谢物

在SKOM重编程的MEF中过表达Flag、nls-Pdha1或三突变体,分离全细胞、胞质和核组分,检测乙酰辅酶A、丙酮酸、柠檬酸和α-KG含量,并测定OCR和ECAR

5

组蛋白乙酰化与染色质重塑检测

验证核内Pdha1通过组蛋白H3乙酰化调控多能性基因染色质状态

免疫荧光和Western blot检测H3K9ac、H3K27ac、H3ac及组蛋白甲基化;ChIP-seq/ChIP-qPCR检测H3乙酰化和P300富集;ATAC-see和ATAC-seq检测染色质开放性

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
高糖DMEM培养基Gibco11995500BT
胎牛血清Gibco10099141
GlutaMAX添加剂Gibco35050079
非必需氨基酸Gibco1140076
N2添加剂Gibco17502048
B27添加剂Gibco17504044
β-巯基乙醇Gibco21985-023
CHIR99021SelleckS1263
PD0325901SelleckS1036
聚乙烯亚胺PolyScience23966-1
秋水仙胺Enzo Life SciencesLKT-D1749-M050
吉姆萨染液CoolaberSL7010
RNA纯化试剂盒EZBioscienceB0004DP
逆转录试剂盒TakaraRR047A
SYBR Green QPCR试剂盒TaKaRaRR820A
CFX96实时定量PCR仪Bio-RadCFX96
RIPA裂解液BeyotimeP0013B
蛋白酶抑制剂混合物Roche04693116001
核质蛋白提取试剂盒BeyotimeP0028
ECL化学发光液MilliporeWBKLS0500
Mini Chemi910化学发光/荧光成像分析系统SageCreation--
抗H3抗体Abcamab1791
抗H3K9ac抗体Cell Signaling Technology9649
抗H3K27ac抗体Cell Signaling Technology8173
抗H3ac抗体Abcamab47915
抗H3K9me3抗体Abcamab8898
抗H3K27me3抗体Abcamab272165
抗H3K36me3抗体Abcamab194677
抗Tomm20抗体Abcamab56783
抗Pdha1抗体Abcamab110334
抗Pcb抗体Abcamab229267
抗Aco2抗体Abcamab110321
抗Idh3a抗体Abcamab228596
抗Cs抗体Abcamab966000
抗Flag抗体SigmaF1804
HRP标记山羊抗小鼠抗体KangchenKC-MM-035
HRP标记山羊抗兔抗体KangchenKC-RB-035
Seahorse XF细胞线粒体压力测试试剂盒Agilent Technologies103015-100
糖酵解压力测试试剂盒Agilent Technologies103020-100
Triton X-100SigmaT8787
DAPISigmaD9542
封片剂DAKOS3023
抗Lamin B1抗体Abcamab8982
抗Lamin B1抗体Abcamab16048
抗Pcb抗体Abcamab110314
抗Ogdh抗体Abcamab137773
抗Mdh2抗体Abcamab110317
抗Sdha抗体Abcamab14715
抗Ssea1抗体Santa Cruzsc-21702
抗Rex1抗体Santa Cruzsc-50668
抗Nanog抗体Cell Signaling Technology4903
抗Mfn2抗体AbclonalA12771
Alexa Fluor 488标记抗小鼠IgGThermo Fisher ScientificA11001
Alexa Fluor 568标记抗小鼠IgGThermo Fisher ScientificA11004
Alexa Fluor 647标记抗小鼠IgGThermo Fisher ScientificA21237
Alexa Fluor 488标记抗兔IgGThermo Fisher ScientificA11008
Alexa Fluor 568标记抗兔IgGThermo Fisher ScientificA11011
Alexa Fluor 647标记抗兔IgGThermo Fisher ScientificA21246
Nuclei Pure Prep细胞核分离试剂盒SigmaNUC201
PicoProbe乙酰辅酶A荧光检测试剂盒BiovisionK317
柠檬酸比色/荧光检测试剂盒BiovisionK655
α-酮戊二酸脱氢酶活性检测试剂盒BiovisionK678
Qproteome线粒体分离试剂盒Qiagen37612
LSR Fortessa SORP流式细胞仪BD Biosciences--
TRIzolThermo Fisher15596018
VAHTS mRNA-seq v2文库构建试剂盒VazymeNR601-01/02
甲醛Sigma252549
Igepal CA-630SigmaI8896
甘氨酸SigmaG8898
Simple ChIP酶法染色质免疫沉淀试剂盒(磁珠)Cell Signaling Technology9003
抗Klf4抗体Proteintech11880
抗Sox2抗体Cell Signaling Technology23064
抗Oct4抗体Cell Signaling Technology83932
抗HA抗体Cell Signaling Technology3724
抗P300抗体Cell Signaling Technology54062
IgG抗体Cell Signaling Technology2729
文库构建试剂盒IlluminaNQ103

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
体细胞重编程
MEF代次(两代以内)、接种量1.5×10^4/12孔、SKO或SKOM逆转录病毒两次感染、第17天Oct4-GFP阳性克隆计数
阅读提示:Methods“Somatic cell reprogramming”小节
PNT诱导
EpiSCs接种量2.5×10^4/12孔、慢病毒两次感染、1 μg/ml puromycin处理2天、mES+2i/LIF+doxycycline培养5天
阅读提示:Methods“Induction of EpiSCs to naive state (PNT)”小节
2C样程序激活
2C::tdTomato报告ESCs接种量3×10^4/6孔、1 μg/ml puromycin处理2天、doxycycline诱导
阅读提示:Methods“The activation of 2-cell-like program”小节
核靶向酶与突变体构建
Pdha1催化位点S232、S293、S300突变为S293A及S232A+S293A+S300A三突变;去除MLS并加SV40 NLS和3×Flag
阅读提示:Methods“DNA construction”及图3e、f、i、j
代谢物检测
核质分离后即刻检测乙酰辅酶A、丙酮酸、柠檬酸、α-KG;分组为Flag、nls-Pdha1、三突变体
阅读提示:Methods“Nuclei isolation”与“Cellular pyruvate, acetyl-CoA, citrate, and α-KG quantification”
ChIP-seq与ATAC-seq分析
ChIP-seq每组n=1(两次重复)、ATAC-seq每组n=3、重编程第4和6天取样、统计方法与峰值阈值
阅读提示:Methods“ChIP-qPCR, ChIP-seq, and data analysis”与“ATAC-seq”及图5、图6图注
畸胎瘤形成
BALB/c-Nude小鼠6–8周龄、2×10^6细胞背部皮下注射、约4–6周取样
阅读提示:Methods“Karyotype and teratoma formation”小节