標題名稱:
海馬聊聊天(1):能量代謝 vs 幹細胞分化
發佈日期:
2017-10-05
詳細內容:

海馬聊聊天(1):能量代謝 vs 幹細胞分化

胚胎幹細胞由於生長在子宮內低氧(hypoxia)的環境,所以在生物能量學的利用上有所限制,普遍認為是利用Glycolysis做為主要的能量來源,而在粒線體含量與mtDNA複製也如預期較一般已分化成熟的細胞要少;且不使用粒線體做為主要能量供應,可減少ROS的產生對細胞造成傷害。而隨著幹細胞的分化,ATP的產量究竟是會增加還是減少則是分做兩派:一是分化後ATP產量會增加,分別已在pre-adipocytes & hematopoietic cell 得到證實;另一則是得到相反的結果,亦在Neurosphere & ATSC rhesus monkey adult cell line得到支持的結果。

終於,第一篇探討胚胎幹細胞分化與生物能量學的研究發表在Journal of cell science:A reduction in ATP demand and mitochondrial activity with neural differentiation of human embryonic stem cells
;從標題即可得知,作者實驗的結果是當胚胎幹細胞分化為神經細胞之後,其粒線體的活性與產生的ATP有下降的趨勢,我們先看下圖的實驗結果:

 

實驗利用海馬生物能量測定儀,比較hESC, NSC(Differentiated from hESC), D-35(beta-III tubulin-positive neurons) & HDF (human fetalforeskin-derived fibroblast line) 四種細胞之間的粒線體活性,從圖表得知hESC於basal & FCCP (uncopular) 的數值都明顯高出其他三株細胞,代表其粒線體運作的活性非常旺盛。


透過海馬生物能量測定儀所測定耗氧量與產酸率的絕對值,我們可利用換算的方式,推算各細胞株所能產生的ATP總量以及其中使用glycolysis & OXPHOS 所佔的比例。由圖可知hESC所產生的ATP總量較NSC & 以分化細胞株都來的高,且主要是使用粒線體做為ATP能量來源,NSC所產生的ATP較D-35為高,且有較高比例是使用glycolysis做為ATP能量來源。

對於此有趣的結果,打破了hESC鮮少使用OXPHOS做為ATP能量來源的推論;作者的推論是hESC與一般細胞都不同的獨特性!當將hESC與NSC於電顯下觀察,可看到hESC具有獨特的分泌性濾泡結構(圖A),而這結構在NSC及其他分化成熟的細胞都沒有觀察到。(圖B,v:vesicle, m:mitochondrion, n:nucleus;圖C & D是放大倍率與不同來源hESC的結果)

因此,作者認為hESC透過mitochondria所產生的大量ATP,既不是耗費在proliferation & differentiation,那很有可能是耗費在維持分泌此獨特的濾泡結構,但其功能為何仍未清楚。而另外值得討論的部分是hESC於in vivo是處於hypoxia的環境,因此in vitro進行實驗時理應將hESC培養於1~5% O2的環境,避免大氣壓力下的20%O2活化與氧氣相關的基因,而造成實驗的差異;若能再補充這方面的數據,應可進一步釐清hESC能量代謝利用的情形;但就目前而言,要探究胚胎幹細胞分化為各種不同的前驅細胞,乃至更進一步分化為分熟的功能性細胞種種代謝變化的過程,似乎還有很長一段路要走呢!

原文刊載於Facebook:海馬新樂園