O-GlcNAc糖基化修饰调控多能干细胞代谢以及干性维持的机制研究

Metabolism is the basis of cell function. Cellular metabolism plays a cirtical role in pluripotent stem cell (PSC) stemness and differentiation. However, the mechanisms by which metabolism regulates stem cell behavior are poorly understood. N-acetylglucosamine (GlcNAc) is a dynamic chemical modification on protein serine and threonine residues. Research has demonstrated that O-GlcNAc not only serves as cells' metabolic sensor, but also directly participates in regulating cellular metabolic fate. The research of O-GlcNAcylation in stem cell biology has just begun. Therefore, studying its role in regulating metabolism and cell stemness will likely yield significant impact. Based on our previous work on protein O-GlcNAcylation, in this study we will employ a series of PSC models and integrate research methods from chemical biology, mass spectrometry analysis, and cell biology to investigate the regulatory mechanisms of O-GlcNAcylation in PSC metabolism, stemness maintenance and directed differentiation.

代谢是细胞生命活动的基础。细胞的代谢状态在多能干细胞的干性维持和定向分化过程中至关重要，然而目前对代谢调控多能干细胞生物学行为的机制的认识还十分有限。N-乙酰氨基葡萄糖（GlcNAc）是蛋白质丝氨酸和苏氨酸上的动态化学修饰。研究表明O-GlcNAc糖基化一方面是细胞的代谢状态的“感受器”，另一方面能反馈和直接调控细胞的代谢走向。O-GlcNAc糖基化在干细胞生物学中的研究才刚刚开始起步，对其调控干细胞代谢和干性维持的分子机理的探索有望取得突破性的成果。基于我们在蛋白O-GlcNAc糖基化的工作积累，在本项目中我们将针对不同状态的PSC模型，综合运用化学生物学、质谱分析化学、细胞生物学等研究方法在分子和细胞两个层面上探讨O-GlcNAc糖基化调控PSC代谢的分子机制；进一步揭示O-GlcNAc糖基化对PSC干性维持和定向分化的影响。

胚胎干细胞（ESC）为我们研究器官发育、组织的再生修复方面提供了重要的模型，然而目前我们对胚胎干细胞的生物学特性（如多能性的维持）还缺乏系统的认识。本项目以研究O-GlcNAc糖基化调控ESC代谢和生物学行为的作用机制为主要切入点，从分子、细胞等多层次，阐明O-GlcNAc糖基化对ESC干性维持和定向分化的影响。我们完成了该项目的既定研究目标，简述如下：1）独立开发了一种新型的包含稳定同位素的可光解的化学探针，对糖基化的丰度进行定量标记。2）我们阐明了O-GlcNAc修饰调控ESC甲硫氨酸代谢途径，进而影响ESC自我更新能力和分化的作用和机制。3）进一步把O-GlcNAc修饰的研究拓展到神经干细胞体系，初步揭示了糖基化对神经干细胞分化的重要作用。4）受本项目资助，在国际性高学术水平的杂志上发表SCI文章5篇，两名博士生和两名硕士生顺利毕业。总之，该项目的顺利实施拓展了对干细胞基本生物学过程的认识，为组织修复的研究提供了新的研究策略。