文献解读
最新发表在国际顶尖学术期刊《Cell》上题为“Unraveling mitochondrial influence on mammalian pluripotency via enforced mitophagy” 的研究论文。
通过构建“强制线粒体自噬”工具，实现了在体外对多能干细胞（PSC）线粒体的近乎完全清除，并将该策略扩展到体内早期胚胎。团队据此建立“同核不同线粒体”的人-猿复合PSC模型，定量解析线粒体基因组差异对多能态与代谢的细微影响；并在小鼠胚胎中界定了着床前发育对线粒体丰度的阈值依赖。 研究背景 哺乳动物多能性状态（如胚胎干细胞）具有高度自我更新和分化潜能的特征，在胚胎发育和再生医学领域具有重要价值。虽然多能性的维持和丧失一直被广泛研究，但调控其转换的分子机制尚未完全阐明。 大量证据表明，细胞代谢状态，尤其是线粒体的数量、功能和活性与多能性状态密切相关。其中，线粒体自噬作为一种选择性降解损伤或过剩线粒体的自噬过程，在维持线粒体质量和细胞代谢稳态方面发挥着关键作用。其在多能干细胞中的功能与机制有待研究。 项目研究 为清除多能干细胞中的线粒体，作者在hESC（H9）中稳定表达 mCherry-PRKN（Parkin）与线粒体定位的 Mito-EGFP，构建 PRKN-hESCs；用寡霉素A+抗霉素A（A/O）去极化线粒体膜，触发 PINK1–PRKN 介导的广泛线粒体自噬，实现近乎“无线粒体”的可重复模型。 去线粒体后会引发生存与分裂停滞，短期可维持多能表型。提示线粒体对多能稳定性至关重要。 Fig.1 强制线粒体自噬产生清除线粒体的多能干细胞 多组学分析显示，清除线粒体后大多数多能蛋白（~91%）和核编码线粒体蛋白（~72%）丰度不变，但mtDNA 编码基因几乎全部下调。 代谢组学分析由线粒体代谢产生的多种底物（SAM、Ac-CoA）严重缺失，TCA循环关键中间产物明显下降，部分糖酵解相关代谢产物上升。揭示代谢紊乱先于多能性因子的丢失，进一步说明线粒体-代谢轴的失衡最终破坏多能稳态。 Fig.2 线粒体缺失对人胚胎干细胞影响的多组学分析 通过人类 hESC 与各类人猿 iPSC（黑猩猩/倭黑猩猩/大猩猩/红毛猩猩）融合，成功获得了四倍体复合 PSC。结果发现，这些复合细胞复合 PSC 会选择性去除非人人科动物的线粒体基因组，只保留人类的线粒体基因组。 使用强制线粒体自噬技术，预去线粒体打破选择偏好，再与 NHH iPSC 融合，可建立仅 mtDNA 不同、核背景相同的线粒体复合PSC 。进一步比较发现，不同mtDNA来源的嵌合细胞，其多能性和整体基因表达基本一致，仅在能量代谢和线粒体功能相关的分子水平出现细微差异。也就是说，跨物种mtDNA交换不会破坏多能性，但能微调细胞代谢特征。 Fig.3 人类-猩猩复合PSCs揭示了线粒体基因组的功能重叠和分化 最后，作者开发了线粒体外膜靶向PINK1/PRKN过表达体系，体内mRNA注射后可有效降低受精卵及早期胚胎线粒体及mtDNA含量。 研究发现，当胚胎线粒体数量降至低于阈值时（<65%），早期胚胎发育受阻，而中度下降（65-80%）可恢复且最终发育为健康个体。这一结果揭示胚胎发育窗口期内，线粒体含量的精密调控对于多能维持与发育“可逆阻断”具有决定性作用。 Fig.4 转基因OMMPINK1和PRKN的过表达加强了线粒体自噬 Fig.5 强制线粒体自噬有效清除了多能干细胞和胚胎的线粒体 研究结论
本研究表明，通过强制线粒体自噬可在多能干细胞（PSCs）中实现高效线粒体清除；进一步构建的人—猿跨物种复合PSCs显示对线粒体DNA（mtDNA）来源具有选择性，并在仅更换物种特异的mtDNA时呈现细微但一致的表型差异（转录与代谢层面）。
此外，采用降低线粒体丰度的策略可减缓小鼠着床前胚胎发育进程。整体上，该工作提供了可编程操控线粒体丰度与基因组来源的工具，揭示了其对多能性和早期发育的关键影响。
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