了解眼睛发育背后的关键代谢物之一：乳酸，竟然是眼睛发育的关键信号分子

根据美国西北大学发表在《自然通讯》上的一项新研究报告，有氧糖酵解——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。

　　

哺乳动物视网膜倾向于利用有氧糖酵解(Warburg效应)将大部分葡萄糖转化为乳酸，即使在有氧条件下也是如此，类似于活跃生长的有丝分裂肿瘤细胞。视网膜中的非增殖性和终末分化神经元是我们体内代谢最活跃的细胞之一。尽管脊椎动物视网膜需要糖酵解和氧化磷酸化来启动和维持功能视觉，但即使在发育过程中正在生长的视网膜中，有氧糖酵解也主导着ATP的产生和生物合成。虽然众所周知，视网膜细胞在细胞分化过程中使用乳酸盐，然而，优先利用有氧糖酵解在视网膜组织形态发生中的确切作用尚不清楚。

代谢方式选择在细胞增殖和分化过程中起着关键作用，代谢物支持能量需求并调节各种细胞信号传导过程。尽管有氧糖酵解的传统作用是在细胞快速增殖和组织生长过程中支持生物质生产和ATP，但最近的研究表明，沿体轴的梯度糖酵解参与了胚胎组织的模式。有趣的是，有研究表明，在鸡胚胎发育过程中，糖酵解介导的细胞内pH调节，对于控制中胚层分化过程中关键的细胞信号传导和翻译后修饰(如乙酰化)至关重要。另一项研究表明，糖酵解的最终产物乳酸盐可以作为直接标记乳酸化的信号分子，乳酸化是巨噬细胞极化时调节基因表达所必需的一种新型组蛋白修饰。有氧糖酵解衍生的乳酸似乎在免疫反应、疾病和胚胎发育的背景下，为蛋白质修饰和基因表达的表观遗传控制引入额外的调控层中起着至关重要的作用。

实验亮点

眼睛形成的最初形态学标志始于视神经囊泡(OV)外翻。与多种上皮组织类似，视神经囊泡的形成涉及细胞动态运动、细胞-细胞粘附的精确调控以及细胞骨架和细胞外基质的重排。然而，在上皮形态发生过程中驱动遗传和表观遗传程序的机制尚不清楚。

胚胎干细胞衍生的类眼器官是表征哺乳动物眼睛形态发生的细胞和分子步骤的宝贵资源。为了评估了有氧糖酵解在视网膜发育过程中的功能作用，作者通过结合眼类器官和单细胞RNA测序(sc-RNAseq，10X Genomics 的Chromium Single Cell v2 Reagent Kit and Controller)的方法，初步确定了在视神经泡形成过程中视网膜祖细胞簇中糖酵解基因(包括特异性葡萄糖转运蛋白)的富集，并进一步通过实验证实：糖酵解是眼类器官视神经泡形成所必需的；Glut1和Ldha活性是小鼠胚胎眼形态发生所必需的；乳酸介导眼的形态发生。

实验还证实了在培养的眼类器官中单独添加乳酸足以挽救缺乏LDH活性的培养物中眼睛形态发生的停滞：添加不改变pH值的l-乳酸钠，在2-脱氧-d-葡萄糖或GNE-140存在的情况下，显著地挽救了眼睛形态发生的缺陷。使用qPCR的定量分析证实，添加乳酸也挽救了Rax（Rax是眼睛形态发生的关键调节因子）和Six3的表达。添加乳酸足以挽救CKO类器官中的OV缺陷，并且正如预期的那样，典型眼睛发育标志物的表达升高。

研究人员利用眼类器官和小鼠遗传学实验表明:
a)来自眼类器官的scRNA-seq鉴定了在视神经囊泡发育过程中表达的关键糖酵解基因;
b)小鼠胚胎的视野区域显示糖酵解活性升高;
c) 视神经囊泡形态发生需要乳酸的产生;
d)糖酵解介导的乳酸上调视野转录因子和相关的表观遗传修饰(H3K27ac)。

结果表明有氧糖酵解在哺乳动物器官发生过程中具有意想不到的功能作用。糖酵解衍生的乳酸具有非代谢功能，可作为一种信号分子，在器官形态发生过程中发挥着多种生理作用，参与转录调节。在OV形态形成之前，前神经板开始有较高的葡萄糖摄取。虽然典型糖酵解需要Glut1和LdhA的活性，但糖酵解的最终产物乳酸可能在眼睛形态发生过程中作为内源性HDAC抑制剂。这种非范式的调节与atp的产生无关，对特定的眼睛发育程序至关重要

研究团队观点

该研究的资深作者、Thomas D. Spies淋巴代谢教授、Feinberg心血管和肾脏研究所血管和发育生物学中心主任Guillermo Oliver博士表示，这些发现进一步加深了该领域对器官发育的代谢途径的理解。“很长一段时间以来，我的实验室一直对发育生物学感兴趣。特别是，表征调节早期眼睛形态发生的分子和细胞步骤，”奥利弗说。“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?’”

Nozomu Takata博士是Oliver实验室的博士后研究员，也是这篇论文的第一作者，他最初通过开发胚胎干细胞衍生的眼类器官来解决这个问题，这是一种在培养皿中设计的器官样组织。有趣的是，他观察到早期的小鼠眼祖细胞表现出糖酵解活性和乳酸生成的升高。根据这项研究，在向培养的类器官中引入糖酵解抑制剂后，正常的视神经囊泡发育停止，但添加乳酸使类器官恢复正常的眼睛形态发生或发育。

高田和他的合作者随后使用全基因组转录组和表观遗传分析，使用RNA和ChIP测序，将这些类器官与对照组进行比较。他们发现，抑制糖酵解和向类器官中添加乳酸调节了早期眼睛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，高田在小鼠胚胎视网膜发育过程中删除了Glut1和Ldha，这两个基因被认为是调节葡萄糖运输和乳酸生成的基因。根据这项研究，这些基因的缺失阻碍了正常的葡萄糖运输，特别是在形成眼睛的区域。

高田说:“我们发现糖酵解途径的作用与atp无关。”“乳酸盐是一种代谢物，以前被称为废物，它在眼睛形态发生中确实起着很酷的作用。这确实告诉我们这种代谢物在器官形态发生，特别是眼睛形态发生中起着关键作用。我认为这一发现具有更广泛的意义，可能在其他器官、再生和疾病中也需要。”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类器官，研究糖酵解途径和代谢在其他器官发育中的作用。

Oliver说，这些发现也有助于更好地理解代谢物在器官再生和肿瘤发展过程中调节基因表达的直接作用。“再生和肿瘤发生都涉及到在某些情况下出错的发育途径，或者需要重新激活。”“对于许多发育过程，需要非常严格的转录调控。一个基因在特定的时间开启或关闭，当它出错时，可能会导致发育缺陷或促进肿瘤发生。现在我们知道有特定的代谢物负责正常或异常的基因调节，这可以拓宽我们对治疗方法的思考。”

这项研究得到了Illumina新一代测序奖的支持。