西北大学

 

 

小鼠眼球器官组织在视泡萌发过程中的单细胞转录组学研究。A-F 使用层粘连蛋白、Rax 和 GFP 抗体对小鼠胚胎和眼有机体的视泡切片进行免疫染色。DAPI 和类磷青霉素分别用于标记细胞核和 F-肌动蛋白。插图显示了各胚胎和类器官阶段明视野和 GFP 通道的合并图像。插图中的黑色箭头表示蒸发的 OV。图中显示的是具有代表性的显微照片，因为三个独立实验都得到了类似的结果。G 示意图显示眼球器官组织中的 OV 蒸发过程分为四个主要阶段。在第 1 阶段（第 3.5 天），获得前脑特征；在第 2 阶段（第 4 天），开始检测到微弱和分散的 Rax 表达（眼域阶段）；在第 3 阶段（第 6 天），OV 开始出芽，Rax 表达增加；在第 4 阶段（第 7 天），通过膨胀过程，OV 完全出芽并增大，在未来的神经视网膜区域（NR），Rax 表达更高。Rax 表达水平较低的区域将成为视网膜色素上皮（RPE）。H 在对眼球器官组织进行单细胞 RNA 测序（scRNAseq）后，对第 2 期和第 3 期进行的 t-SNE 图谱分析表明这两个阶段之间存在明显的转录组差异。I t-SNE图分析以独特的颜色显示每个转录可区分的群组。生物信息学分析将这两个阶段的细胞划分为 10 组（0-9 组使用 t-SNE 可视化）。每种细胞类型都根据已知的细胞命运标记组合进行了注释。比例尺，100 微米（A-F）。来源：Nature Communications (2023)。DOI: 10.1038/s41467-023-39672-2

根据发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上的一项西北医学的最新研究，有氧糖酵解是细胞将葡萄糖转化为乳酸的过程，是哺乳动物眼睛发育的关键。

 

众所周知，视网膜细胞在细胞分化过程中会使用乳酸，但这一过程在早期眼球发育中所起的确切作用以前并不清楚。

 

该研究的资深作者、费恩伯格心血管与肾脏研究所血管与发育生物学中心主任、托马斯-D-斯皮尔斯淋巴代谢学教授吉列尔莫-奥利弗（Guillermo Oliver）博士说，这些发现进一步加深了该领域对器官发育基础代谢途径的理解。

 

"长期以来，我的实验室一直对发育生物学感兴趣。奥利弗说："长期以来，我的实验室一直对发育生物学很感兴趣，尤其是研究调节早期眼球形态发生的分子和细胞步骤。"对我们来说，问题是：'我们脸上这些非凡而关键的感觉器官是如何开始形成的？

 

奥利弗实验室的博士后研究员、论文第一作者高田之武（Nozomu Takata）博士最初是通过开发胚胎干细胞衍生的眼球器官组织来解决这个问题的。耐人寻味的是，他观察到早期小鼠眼祖细胞显示出较高的糖酵解活性并产生乳酸。

 

研究显示，在向培养的器官组织中引入糖酵解抑制剂后，正常的视囊发育停止了，但加入乳酸盐后，器官组织又恢复了正常的眼球形态发生或发育。

 

随后，高田和他的合作者利用全基因组转录组和表观遗传学分析（RNA和ChIP测序）将这些有机体与对照组进行了比较。他们发现，抑制糖酵解并向有机体中添加乳酸盐，可以调节早期眼球发育所需的某些关键和进化保守基因的表达。

 

为了验证这些发现，高田删除了小鼠胚胎视网膜发育过程中已知的调控葡萄糖转运和乳酸产生的基因Glut1和Ldha。研究结果表明，这些基因的缺失阻止了葡萄糖的正常转运，特别是在眼睛形成区域。

 

"高田说："我们发现糖酵解途径的作用与 ATP 无关。"乳酸盐是一种以前被称为废物的代谢物，但它在眼睛的形态发生过程中却发挥了很酷的作用。这确实告诉我们，这种代谢物是器官形态发生，尤其是眼睛形态发生的关键因素。我认为这一发现具有更广泛的意义，其他器官可能也需要这种代谢物，或许在再生和疾病中也是如此。

 

高田说，在这一发现之后，他计划继续利用传统和新兴的发育生物学工具，如小鼠遗传学和干细胞衍生的器官组织，研究糖酵解途径和代谢在其他器官发育中的作用。

 

这些发现还有助于更好地理解代谢物在器官再生和发育过程中调节基因表达的直接作用。