与正常分化的细胞相比，胚胎干细胞有着特征性的代谢方式。胚胎干细胞会通过增强糖酵解和谷氨酰胺氧化来提供大量的代谢中间产物，促进大分子的生物合成来支持干细胞的自我更新（1, 2）。除了作为生物合成的代谢前体,某些代谢中间产物在维持干细胞的多能性方面也发挥着重要的作用（3）。甲硫氨酸代谢循环是细胞内一碳单位代谢的重要组成部分,其代谢中间产物硫代腺苷甲硫氨酸(SAM)是细胞内的最主要的甲基供体，参与DNA、RNA和蛋白质的转甲基反应（4）。细胞内甲硫氨酸的代谢水平显著影响干细胞的自我更新能力和多能性，然而目前对甲硫氨酸代谢如何受到调控的分子机理还尚不清楚。
2020年3月19日，生命科学学院生化所易文教授课题组在PNAS（美国科学院院刊）上在线发表了题为“O-GlcNAcylation Regulates the Methionine Cycle to Promote Pluripotency of Stem Cells”的研究论文。该研究报道了O-GlcNAc糖基化修饰通过调控甲硫氨酸代谢途径中的关键代谢酶AHCY的活性来维持小鼠胚胎干细胞自我更新和多能性的分子机制。
O-GlcNAc糖基化修饰是通过N-乙酰葡糖胺以β-糖苷键形式共价连接到蛋白质的丝氨酸或苏氨酸羟基上的一种翻译后修饰。近年来的研究表明O-GlcNAc糖基化作为一种可逆的修饰能感受细胞的代谢状态，并能调控细胞信号传导、基因转录、蛋白翻译等重要的生物学过程（5）。最近的研究还显示O-GlcNAc糖基化能通过修饰干细胞中的关键转录因子（Oct4, Sox2, ESRRB等）来调控干细胞的多能性（6-8）。但是目前对于O-GlcNAc糖基化如何通过调控代谢来影响干细胞的自我更新和多能性还鲜有报道。
腺苷同型半胱氨酸水解酶（Adenosylhomocysteinase, AHCY）是甲硫氨酸代谢途径中重要的代谢酶，它催化硫代腺苷同型半胱氨酸（S-adenosylhomocysteine, SAH）水解产生腺苷（adenine）和同型半胱氨酸（homocysteine）。值得注意的是，其产物SAH能通过底物抑制的方式抑制细胞内的甲基转移酶活性，进而调控细胞内的转甲基反应（9）。该本研究首先比较了小鼠胚胎干细胞和体外分化细胞的甲硫氨酸代谢活性，发现干细胞在分化过程中甲硫氨酸的代谢呈显著下降趋势。通过检测其中代谢酶的表达发现AHCY在启动分化的48小时后出现明显降低。接着研究者在小鼠胚胎干细胞中敲低AHCY，发现细胞内的SAM/SAH的比例下降，干细胞关键的转录因子OCT4和NANOG基因启动子上的H3K4me3的水平降低，导致OCT4和NANOG的表达受到抑制，促进干细胞向三胚层方向分化。研究者通过酶法标记技术发现AHCY具有O-GlcNAc糖基化修饰。其糖基化修饰程度在干细胞开始分化的24小时后有明显降低，伴随着AHCY酶活性的降低。通过进一步的质谱分析，结合点突变的生化实验鉴定出苏氨酸136位是AHCY主要的糖基化位点。T136上的糖基化修饰通过促进了AHCY四聚体的形成并增强了其与反应底物的亲和力来上调酶的催化活性。相反，在干细胞中阻断AHCY的O-GlcNAc糖基化修饰会降低SAM/SAH的比例和H3K4me3的水平，促进干细胞进入分化状态。最后，研究者还发现AHCY的糖基化在体细胞进行诱导重编程过程中起着重要的作用。
综上所述，这项工作揭示了甲硫氨酸代谢中的关键酶AHCY及其O-GlcNAc糖基化修饰在调控小鼠胚胎干细胞自我更新和多能性中的重要作用，阐明了O-GlcNAc糖基化修饰通过将营养感知与表观遗传联系起来决定干细胞命运的新机制。
浙江大学生命科学学院为论文第一作者单位。易文教授为该论文的通讯作者，浙大转化医学研究院的李学坤教授为该论文的共同通讯作者。易文课题组博士研究生朱强为该论文第一作者。本研究获得国家重点研发计划和国家自然科学基金委重大研究计划的资助。

原文链接：https://www.pnas.org/content/early/2020/03/18/1915582117