PNAS：复旦大学李华伟/李文妍/夏明宇合作研究揭示了PKM2通过乳酸依赖性转录调控控制耳蜗发育

了解代谢过程在内耳发育中的作用对于识别毛细胞（HC）再生的靶点至关重要，因为代谢选择在细胞增殖和分化中发挥着重要作用。在各种代谢过程中，越来越多的证据表明，葡萄糖代谢与器官发育密切相关。然而，葡萄糖代谢在哺乳动物内耳发育和毛细胞再生中的作用仍不明确。

2025年1月8日，复旦大学李华伟，李文妍和夏明宇共同通讯在PNAS在线发表题为“PKM2 controls cochlear development through lactate-dependent transcriptional regulation”的研究论文。该研究发现，在小鼠和人类耳蜗前感受器上皮扩展过程中，糖酵解代谢高度活跃。

通过使用小鼠耳蜗类器官，作者揭示了耳蜗非感受器上皮细胞中的糖酵解活性主要由丙酮酸激酶M2（PKM2）主导。PKM2的删除诱导了从糖酵解到氧化磷酸化的代谢转变，损害了耳蜗类器官的形成。此外，条件性删除耳蜗祖细胞中的PKM2阻碍了感受器上皮形态发生，正如PKM2基因敲除小鼠所示。机制上，PKM2催化生成丙酮酸，随后转化为乳酸，乳酸通过乳酸化组蛋白H3，调节耳蜗发育关键基因的转录。具体而言，积累的乳酸在赖氨酸9位（H3K9la）上引起组蛋白H3乳酸化，通过表观遗传修饰上调Sox家族转录因子的表达。此外，在支持细胞（SCs）中过表达PKM2触发了代谢重编程，并增强了在培养的小鼠和人类耳蜗切片中的毛细胞生成。作者的研究揭示了一种由糖酵解-乳酸流驱动的感受器上皮形成的分子机制，并提出了哺乳动物毛细胞再生的独特方法。

作为全球公共卫生中的一项关键问题，耳聋主要由 cochlea 内毛细胞 (HCs) 的机械敏感损伤引起，这些损伤可能源自遗传因素、衰老、噪音以及耳毒性药物等多种因素。在哺乳动物中， cochlea 内毛细胞的丧失是不可逆的，因此 HC 再生被视为实现听力恢复的一种有前景的策略。与肠道和肝脏的强大再生能力不同，哺乳动物内耳（如中枢神经系统和心脏组织）在损伤后的再生潜力有限。在小鼠 cochlea 中，某些亚型的非感官上皮细胞（NSECs）具有在特定调节下通过不对称分裂或直接转分化替代丧失的 HCs 的潜力。这些 NSECs 具有某些前体细胞特征，并在出生后的第一周内维持短暂的再生能力；值得注意的是，这一能力在出生后 1 周丧失。从内耳发育过程中获得的线索有助于建立促进干细胞去分化或细胞周期重入的策略，从而实现毛细胞再生。

代谢调控是推动毛细胞再生的一个有前景的靶点，近年来的证据表明，代谢是细胞命运转变的中心调节因子。尽管内耳发育过程中分子事件的级联反应以及指导毛细胞生成的细胞外线索已被广泛研究，但代谢调控对内耳发育或再生的贡献却较少受到关注。在代谢过程中，糖酵解被认为是维持细胞增殖的主要能量来源，类似于大多数癌细胞。在快速细胞生长的驱动阶段，细胞更倾向于糖酵解状态，而氧化磷酸化（OXPHOS）状态则在成熟细胞中更为优先，以支持细胞的维持和稳态。对哺乳动物内耳糖酵解代谢的研究主要集中在损伤保护方面，例如过表达（OE）糖酵解酶葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD），可以防止年龄相关听力丧失的进展。在脊椎动物中，最近的研究表明，破坏糖酵解基因磷酸甘油酸激酶-1（PGK1）会损害斑马鱼耳泡中毛细胞和神经元的形成，而且在鸡胚感官上皮的发育过程中，糖酵解的葡萄糖代谢流对于毛细胞的定位身份和模式的指定是必需的。然而，哺乳动物和非哺乳动物脊椎动物之间可能存在内耳糖酵解代谢流的差异，正如哺乳动物的毛细胞在损伤后不会像非哺乳动物那样自发再生。

PKM2 过表达和乳酸处理可促进人类肝细胞生成（图片源自PNAS）

除了生成 ATP 能量外，糖酵解代谢还在基因转录、蛋白质修饰甚至表观遗传修饰的调控中发挥重要作用。糖酵解的多功能调控效应来源于相关代谢物和酶。一个重要的代表是丙酮酸激酶（PK），它催化糖酵解过程中最后一步，将磷酸烯醇丙酮酸（PEP）转化为丙酮酸。在四种 PK 同工酶中，PKL 和 PKR分别在肝脏和红细胞中表达，是由前体 PKL RNA 的选择性剪接产生的。另两个 PK 同工酶，丙酮酸激酶 M1（PKM1）通常在分化细胞中表达，而 PKM2 则在像胚胎和增殖细胞等积极生长的细胞中表达。最近的几项报告显示，PKM2 在调节细胞增殖和细胞命运转变中的重要性，包括促进心脏再生和维持多能干细胞的多能性，这突显了糖酵解酶在再生医学中的潜力。然而，糖酵解代谢在哺乳动物内耳发育和再生中的作用仍然不清楚。

本研究利用 cochlear organoid 培养系统发现，在细胞扩展阶段，经典糖酵解级联反应和关键酶 PKM2 被强烈激活。为了阐明 PKM2 在 cochlear 发育中的作用和机制，作者生成了 PKM2 条件性敲除（CKO）小鼠品系，并与 Foxg1-Cre 和 Sox9-CreER 小鼠交配，特异性删除 cochlear 前体细胞中的 PKM2。PKM2 的缺失导致了细胞增殖能力的受限、耳蜗大小的减小以及毛细胞生成的减少。从机制上讲，PKM2 介导的糖酵解触发了乳酸积累，进而通过乳酸化（Kla）对组蛋白赖氨酸 3（H3）的表观遗传修饰，以维持 cochlear organoid 的扩展。通过结合 RNA 测序（RNA-seq）和 CUT&Tag 技术，作者揭示了乳酸介导的表观遗传修饰显著改变了耳蜗基因表达模式。最后，作者通过 AAV 向量和乳酸给药，展示了 PKM2 的过表达和乳酸的应用能够促进耳蜗中毛细胞的再生。

原文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2410829122