肝脏再生过程中防止受损细胞增殖扩散的机制：代谢不灵活性

肝损伤恢复的一个关键条件是确保健康细胞增殖，避免增殖功能受损的细胞。西南得克萨斯大学的研究人员发现：肝硬化患病区域包含的线粒体基因组突变导致细胞呼吸电子传递链功能障碍会阻碍其增殖，从而防止受损细胞扩增。这可能是一种保护性机制。

　　

根据德克萨斯大学西南分校儿童医学中心研究所(CRI)发表在《科学》杂志上的一项新研究，肝细胞在再生过程中具有重要的代谢不灵活性，让功能失调的细胞“挨饿”以防止损伤细胞扩增。CRI副教授Prashant Mishra、Xun Wang博士和同事们发现负责大多数肝功能的肝细胞在线粒体受损时会开启PDK4——一种限制细胞转移到替代能源的代谢酶——让细胞死亡。脂肪酸是再生过程中的关键能量来源，肝细胞通常使用线粒体来处理脂肪酸。

“新陈代谢的灵活性有好的一面也有坏的一面。”西南大学儿童医学中心研究所的副教授Mishra博士说:“尽管代谢灵活性在很大程度上被认为是有益的，因为它使细胞能够忍受变化的环境或替代的营养来源，但我们的研究结果表明，灵活性也可能是有害的，因为它允许受损细胞存活。”“线粒体受损后，肝细胞会主动抑制灵活性——如果它能防止损伤扩散，这是一件好事。”

线粒体电子传递链(ETC)功能障碍常见于人类获得性疾病，包括代谢相关肝病。线粒体ETC功能可以影响干细胞的行为，但ETC是否影响肝损伤后肝细胞的增殖，从而有助于肝器官的恢复状态和功能尚不清楚。

研究内容
作者在小鼠中使用线粒体代谢物谱和同位素示踪技术来研究稳态和再生条件下肝细胞的代谢反应，使用一系列的线粒体电子传递链突变遗传小鼠模型来解析每个ETC复合体(I到V)对肝脏再生的贡献。通过这种方法来检查野生型(WT)和线粒体电子传递链功能失调的肝细胞在再生过程中的相对适应度，并确定增殖肝细胞中线粒体健康受到调节的机制。

研究结果

CRI的科学家们研究正常和再生条件下健康肝细胞的线粒体，结果表明，身体其他部位的脂肪酸通过血液输送到肝脏，为肝脏再生提供燃料。当阻断脂肪酸运输时，具有代谢灵活性的健康肝脏转向其他能量来源，包括葡萄糖等糖。但在线粒体基因突变的小鼠肝脏中，受损的肝细胞在再生过程中不能使用脂肪酸，也不能转移到其他能量来源，从而阻止了肝脏的再生。为了理解为什么线粒体突变抑制了灵活性，Mishra实验室的成员检查了控制细胞使用替代能源能力的基因。结果显示PDK4基因水平增加，PDK4基因是葡萄糖产生能量所需途径的负调节因子。当研究人员阻断PDK4时，肝脏中受损细胞的代谢变得灵活，能够利用其他能量来源进行扩增。

具体来说，作者通过实验表明，小鼠肝细胞在肝脏再生过程中需要一个功能性的ETC来增殖并与WT肝细胞竞争。在缺乏ETC的情况下，小鼠肝脏迅速积累脂肪酸种类，导致脂肪变性。在ETC-突变体肝脏再生过程中，胆管细胞向肝细胞的转分化被刺激。代谢追踪研究表明，WT肝脏在增殖过程中依赖于外周脂肪储存的动员和氧化来维持乙酰辅酶A水平。在ETC突变体肝脏中，脂肪酸氧化被抑制，导致脂肪堆积，乙酰辅酶A的产生减少。值得注意的是，肝细胞增殖不需要线粒体复合体I，这表明复合体I不是再生肝细胞ETC的主要电子供体。

当脂肪在ETC功能障碍的情况下积累时，由于PDK4(丙酮酸氧化的负调节因子)的诱导表达和ACSS2(负责将乙酸转化为乙酰辅酶A的酶)的表达减少，非脂肪酸来源(如丙酮酸或醋酸酯)的乙酰辅酶A的生成受到抑制。这种代谢的不灵活性(无法转换为替代营养素来生成乙酰辅酶A)迫使受损细胞依赖脂肪酸氧化，从机制上选择具有功能性ETC的增殖肝细胞。抑制或删除PDK4可使丙酮酸氧化为乙酰辅酶A，导致在缺乏PDK4活性的情况下，ETC功能失调的肝细胞也能够在肝脏再生过程中增殖。

研究结论
线粒体对正常的器官功能至关重要，在再生过程中促进线粒体健康的机制将有利于组织稳态。通过调节肝脏营养利用的网络拓扑编码代谢不灵活性，有助于促进组织再生过程中的线粒体健康。在ETC功能障碍的情况下，脂肪酸的积累抑制了从其他底物产生乙酰辅酶A。脂肪积累下游的PDK4表达是控制增殖肝细胞代谢不灵活性的关键调节事件。尽管代谢灵活性在很大程度上被认为对生物体的生存和功能有益，但研究表明，代谢不灵活性可以被小鼠肝脏用来促进增殖细胞群体的整体健康。

抑制乙酰辅酶a的产生促进肝脏再生过程中的线粒体健康。
在肝损伤和再生过程中，脂肪组织中的脂肪酸转运到肝脏，在WT肝细胞中为线粒体β氧化提供燃料，从而优于ETC突变肝细胞。在没有功能性ETC的情况下，脂肪酸积累通过诱导PDK4减少乙酰辅酶a。PDK4抑制恢复乙酰辅酶A生成的灵活性，允许ETC突变型肝细胞增殖。[使用BioRender.com创建的图] 图片来自作者

作者观点

Mishra博士表示，“肝脏在受伤后具有惊人的再生能力，但重要的是只有健康细胞才能繁殖。我们发现，通过消除不健康的细胞，代谢不灵活性是有用的，”“线粒体损伤在包括癌症在内的常见人类疾病中经常观察到，”“我们希望通过确定细胞用来防止损害扩散的机制，我们可以利用这些过程来潜在地对抗疾病并延长健康。”

先前Mishra实验室的研究表明，健康的线粒体对肝脏正常的器官功能和脂肪酸代谢至关重要。这项新的研究阐明了再生肝脏是如何调节细胞增殖的，以及关键调节因子PDK4的失能是如何导致肝脏脂肪堆积和脂肪变性的不健康，也就是通常所说的脂肪肝疾病。