Adv Sci | 帅领团队开发基于代谢调控的单倍体长期维持培养基|代谢调控|信赖区间|单倍体|培养基|线粒体|细胞

单倍体胚胎干细胞（Haploid Embryonic Stem Cells, haESCs）是一种具有单拷贝基因组特征的多能干细胞，在功能基因组学筛选、发育生物学研究、药物靶点发现及X染色体失活机制解析等领域做出了突出贡献。然而，单倍体胚胎干细胞在体外常规培养及诱导分化过程中极易发生自发二倍体化，因此快速丧失其单倍体优势，进而成为限制其规模化推广与应用的核心瓶颈。目前主流的流式分选单倍体富集法操作繁琐、易损伤细胞，而基于现有机制开发的干预手段均会引入基因组修饰，存在较大的基因组风险，无法满足更多研究领域单倍体遗传筛选的需求。因此，开发无基因组修饰、安全且可长期稳定维持单倍体特性的培养体系，是本领域亟待攻克的关键技术难题。

近日，南开大学帅领教授联合重庆医科大学儿童医院童超教授、高倩副研究员等团队，在 Advanced Science 在线刊发了题为Metabolic Imbalance Triggers Adaptive Remodeling to Accelerate Diploidization in Murine Haploid Embryonic Stem Cells的研究论文，揭示了线粒体功能缺陷诱导的代谢失衡驱动单倍体干细胞适应性重塑加速二倍体化的完整分子机制，并据此开发了基于代谢调控的单倍体维持培养基（MBH medium），为单倍体胚胎干细胞的长期稳定培养提供了全新且安全的解决方案。

线粒体是细胞能量代谢的核心细胞器，其功能稳态直接决定细胞的生存与增殖能力。研究人员发现，在二倍体化过程中，单倍体细胞发生了全面的线粒体功能重塑：野生型单倍体干细胞存在线粒体结构异常，表现为形态肿胀、嵴结构模糊，且线粒体内活性氧水平显著升高；而二倍体化后的细胞线粒体数量翻倍，形成完整的网状结构，呼吸功能与ATP产生能力显著增强。这种代谢差异导致单倍体细胞凋亡敏感性显著增加，在长期培养过程中，具有更强生存优势的二倍体细胞逐渐占据主导地位，最终完成适应性进化。

为了明确调控单倍体干细胞二倍体化的关键代谢诱因，研究团队系统分析了中心碳代谢通路的动态变化。结果发现，丙酮酸-乳酸代谢轴的失衡是驱动二倍体化的核心因素：乳酸脱氢酶A的缺失会导致细胞内丙酮酸水平异常升高，加速三羧酸循环运转，进而显著促进二倍体化进程；反之，使用线粒体丙酮酸转运体抑制剂UK5099阻断丙酮酸进入线粒体，可有效抑制TCA循环活性，大幅提高长期培养中的单倍体细胞比例。

更进一步，研究团队利用单倍体胚胎干细胞的遗传筛选优势，开展了全基因组遗传学筛选，以线粒体质量为表型标记，鉴定出 Fbxw14 、 Dapk3 等多个调控单倍体稳定性的关键线粒体质量控制基因。基于上述机制研究成果，研究团队设计并开发了整合抗凋亡、糖酵解重编程和TCA循环抑制三个功能模块的MBH培养基。实验结果表明，在MBH培养基中培养的野生型单倍体胚胎干细胞，经过10代以上的长期传代仍能保持极高的单倍体比例，且基因组完整性、表观遗传稳态和多向分化潜能均未受到影响。

综上所述，该研究系统阐明了代谢重编程驱动单倍体胚胎干细胞自发二倍体化的分子机制，揭示了线粒体功能状态在染色体倍性调控中的核心作用。开发的MBH代谢优化培养基无需任何基因组修饰，操作简便，可大幅降低单倍体细胞的培养成本与时间成本，将极大推动单倍体干细胞在功能基因组学、药物研发和再生医学等领域的广泛应用。同时，该研究也为理解细胞代谢与基因组稳定性之间的交叉调控提供了全新的理论视角。