胚胎发育过程中与癌细胞Warburg效应之间的异曲同工之处

来源：BioArt

撰文 | 咸姐

责编 | 兮

脊椎动物胚胎发育的一个重要特点就是前后体轴的延伸，由胚胎后部来自尾芽区的细胞逐步沉积形成。脊椎动物的胚胎后部是指包括除头部以外的一切，并且可以分为两个主要区域：从头部以下到排泄区域以上为躯干，从排泄区域到最后端为尾部（图1A）。胚胎后部的这两个区域的组织都含有体节，其可以发育成肌肉组织、真皮、骨和软骨、神经管、脊索和血管（图1B）。在早期发育过程中，胚胎后部由前向后逐渐生长，最明显的是以最前端体节起始（仅晚于头部）、以最后端体节结束的有规律间隔的体节的生成，即体节发生阶段【1,2】。

图1 脊椎动物胚胎后部的形态特征【1】

对鸡和小鼠胚胎的早期研究已经证实，能量代谢在发育过程中受到严格的调控。小鼠早期植入前胚胎不依赖于葡萄糖作为主要的能量来源，而是利用丙酮酸和乳酸参加三羧酸循环（TCA）并产生ATP的。而在胚胎植入时，会发生一个重要的代谢转变，从而导致胚胎对葡萄糖的摄取增加，且糖酵解活性增强。此时，大部分的糖酵解活动与活跃的TCA循环和氧化磷酸化共存，并导致乳酸的产生。而随着器官的形成，胚胎的这种强烈的糖酵解活性下降，而呼吸成为主要的能量产生方式【3,4】。当然，随着研究的深入，人们发现，控制着后部延伸的尾芽和后部前体节中胚层（PMS）的细胞表现出高水平的有氧糖酵解，尾芽区的糖酵解协调着WNT和FGF信号，促进胚胎轴的伸长【3】。此外，研究发现，在尾芽区的神经中胚层前体细胞（neuromesodermal precursor, NMP）中，WNT信号通过牺牲神经细胞的命运来促进中胚层维持其轴向延伸的命运【1,3】。那么糖酵解到底是如何调节尾芽区细胞的WNT信号的呢？

与此同时，胚胎后部的这种高水平的糖酵解过程不禁让人联想到癌细胞的Warburg代谢或有氧糖酵解。此外在分化后的成熟细胞中，细胞内pH（pHi）约为7.2，而细胞外pH（pHe）约为7.4。但是在大多数癌细胞中，pHe和pHi的调节与正常细胞显著不同——pHe为6.7-7.1，而pHi则较高，大于7.4【5】。考虑到有氧糖酵解被认为在维持癌症和胚胎细胞的强烈增殖活性中发挥作用，那么胚胎细胞的糖酵解过程是否也与癌细胞有着异曲同工之处呢？

2020年6月24日，来自美国哈佛医学院的Olivier Pourquié教授团队在Nature上在线发表题为 Intracellular pH controls WNT downstream of glycolysis in amniote embryos的文章，利用鸡胚以及从体外诱导多能干细胞分化而来的人尾芽样细胞，发现了脊椎动物胚胎发育过程中存在的与癌细胞类似的倒置的pH 梯度，揭示了胚胎发育过程中发生的糖酵解引起的细胞内pH的提高可以促进中胚层转录的WNT靶点的激活，从而规范了近轴中胚层尾芽祖细胞的发育过程。

首先，为了确定PSM和尾芽细胞中是否也如癌细胞一样表现出颠倒的pHe-pHi梯度，本文的研究人员电穿孔2天龄的鸡胚的前部原条区域（包含PSM前体细胞）以对其进行比率荧光蛋白pHluorin（存在的两个激发峰所对应的发射峰的荧光强度的比值。随着pH值的变化，其比率呈现相应的变化）检测，结果发现了一个从后部到前部的488/405-nm比率梯度，即在尾芽细胞表现出较低的488/405-nm比率（pH较高），而PSM前部细胞表现出较高的比率（pH较低）（图2），提示PSM前部细胞比后部细胞有更高的细胞内酸性。

随后，给予电穿孔鸡胚糖酵解抑制剂2-脱氧-D-葡萄糖（2DG）处理，可以增加尾芽和PSM后部的总体488/405-nm比率，提示pHi的降低。而在2DG培养条件下生长的胚胎没有表现出从前到后的pHi梯度。此外，在低葡萄糖浓度的培养条件下，前后轴的延伸减缓，pHi降低。由此表明糖酵解活性的降低可以导致PSM细胞内酸度的增加。与此同时，研究还发现，若将胚胎暴露在较低pHe环境下，可导致PSM pHi的相应酸化，前后轴延伸将显著减缓，甚至暂停，而这种发育停滞与将癌细胞暴露于较低pH中产生的可逆性生长停滞极其相似。

进一步的研究发现，较高的pHi有利于典型的WNT信号靶基因如AXIN2和MSGN1的表达，从而促进NMP的近轴中胚层的命运，而较低的pHi则抑制WNT信号，促进神经基因SOX2、SAX1的表达，导致神经细胞的发育。此外，与pHi梯度平行存在于尾芽和PSM后部的梯度表达是MCT1基因。MCT1/4是乳酸/H+协同转运体，可以将乳酸和质子排出细胞，从而在高度糖酵解的组织中调节pH。而给予鸡胚细胞MCT抑制剂后可呈现出与抑制糖酵解或降低pHi所产生的类似的表型，由此表明糖酵解的增加导致乳酸和质子被MCT转运体排出的量增加，从而增强了尾芽细胞中的pHi。与此同时，体外用CL培养基（含有糖原合酶激酶3β抑制剂CHIR99021和骨形态发生蛋白抑制剂LDN193189）处理人诱导多能干细胞，以诱导细胞逐渐分化为PSM后部细胞，也得出了与体内实验一样的结果，即pHi控制着NMP细胞糖酵解下游的WNT信号，从而影响细胞分化命运，而K49 β-catenin的乙酰化被发现在这个过程中发挥了重要作用。此外，糖酵解所引起的PSM细胞中的高pHi也为非酶促的β-catenin的乙酰化提供了有利的化学调节，即使生理范围内（pH6.5-7.5）的pH增加也可以导致β-catenin乙酰化剂量依赖性的增强。

综上所述，本文首次揭示了胚胎发育过程中由糖酵解导致的细胞内与癌细胞类似的倒置pH梯度，阐明了其具体机制，即糖酵解促进了乳酸通过单羧酸转运体与质子偶联的排除，从而提高了细胞内pH值，为WNT信号下游的非酶促β-catenin乙酰化创造了有利的化学环境，进而规范了发育的进程。此外，本文的发现也进一步强调了发育中的尾芽细胞和表现出高Warburg代谢的癌细胞（高pHi和低pHe）之间的紧密相似性，提示一些肿瘤细胞会重新激活发育代谢程序。 

参考文献

2. Bénazéraf, B. et al. A random cell motility gradient downstream of FGF controls elongation of an amniote embryo. Nature 466, 248–252 (2010).

3. Oginuma, M. et al. A gradient of glycolytic activity coordinates FGF and Wnt signaling during elongation of the body axis in amniote embryos. Dev. Cell 40, 342–353.e10 (2017).

4. Henrique, D., Abranches, E., Verrier, L. & Storey, K. G. Neuromesodermal progenitors and the making of the spinal cord. Development 142, 2864–2875 (2015).

5. Webb, B. A., Chimenti, M., Jacobson, M. P. & Barber, D. L. Dysregulated pH: a perfect storm for cancer progression. Nat. Rev. Cancer 11, 671–677 (2011).