撰文 | 春曉

責編 | Qi

細胞和細胞說：“我們不一樣！”這便是細胞的異質性，不同的細胞發生著不同的代謝過程。正是細胞的異質性限制了藥物的功效【1】，所幸基於單細胞的檢測方法為我們提供瞭解決這一問題的思路，但是我們還不清楚採用單細胞方法所檢測到的變化來自哪裡？對下游途徑有什麼影響？

氧化磷酸化（OXPHOS）抑制劑是研究細胞代謝的有效工具，OXPHOS抑制劑為改善糖尿病、癌症等疾病以及闡明疾病的細胞生物學機理有著重要的作用。可是，基本上所有的已知的OXPHOS抑制劑都是針對細胞群體整體特徵的，這忽略了單個細胞的異質性。研究細胞的代謝功能可以檢測糖酵解、氧消耗【2, 3】，AMPK由於能夠直接結合ATP，所以其活性可以反應OXPHOS抑制所導致的代謝變化。

2021年2月8日，來自加州大學戴維斯分校的John G. Albeck團隊在Cell Metabolism雜誌上發表題為Transient phases of OXPHOS inhibitor resistance reveal underlying metabolic heterogeneity in single cells的研究論文，在這篇研究論文中，作者使用活細胞測量AMPK活性以量化單細胞之間OXPHOS的差異，發現單個細胞在數小時的範圍內都在敏感狀態和抗性狀態之間進行著相互轉換，這與細胞週期和糖酵解有關，證實了OXPHOS在細胞之間以及在同一細胞內隨著時間的推移在功能上都發生著重要的變化。

代謝中的細胞間異質性在生理學和藥理學中起著未知的作用。為了在功能上表徵代謝中的細胞變異性，作者開發了一種活細胞成像方法，用於探測細胞中的能量代謝狀態，即OXPHOS過程中ATP的生成。作者用OXPHOS抑制劑處理細胞，並用活細胞報告基因監測它們對ATP、ADP/ATP、以及能量感應激酶AMPK活性的影響（圖1）。

如圖1所示，AMPKAR2指示AMPK激酶活性，PercevalHR報告細胞內ADP/ATP比例，ATeam1.03報告細胞內ATP濃度。透過這種方法實現了單細胞層面的檢測，檢測到了細胞代謝的異質性。

圖1. ATP代謝示意圖和使用的報告基因

在多種OXPHOS抑制劑和細胞型別中，作者鑑定了對AMPK活化和ADP/ATP比率降低具有抗性的細胞亞群。這種抗性狀態持續至少數小時，並且可以在細胞週期的分裂期間遺傳。

有趣的是，OXPHOS抑制劑抑制敏感細胞中的mTORC1和ERK訊號傳導途徑，但不抑制抗性細胞中的mTORC1和ERK生長訊號傳導途徑。抗性細胞缺乏AMPK反應並且不能抑制ERK和mTOR訊號。細胞的抗性與增加的葡萄糖攝取、減少的蛋白質生物合成、以及G0/G1細胞週期狀態的多種因素都有關。細胞中糖酵解和ATP轉換的平衡關係決定了OXPHOS抑制劑的反應（圖2）。

細胞中，ATP存在兩種代謝的狀態：OP-ind（OXPHOS-independent）和OP-dep（OXPHOS-dependent）。OP-dep細胞具有低糖酵解能力和高ATP需求；在OXPHOS抑制後，這些細胞以ADP增加為代價保持恆定的ATP濃度，其觸發AMPK的活化並抑制mTORC1和ERK途徑。OP-ind細胞具有高糖酵解能力和相對低的ATP需求。在OXPHOS抑制後，這些細胞可透過糖酵解維持恆定的ATP和低濃度的ADP，因此AMPK無活性。

圖2. 細胞代謝異質性的示意圖

總而言之，這項研究揭示了細胞中能量代謝的動態波動，這種波動是由於不同細胞透過糖酵解產生ATP的能力與其ATP消耗或週轉之間的平衡存在短暫差異而導致的。

作者的研究是在永生化細胞系中進行的，並且結果主要依賴於報告基因，所以，也不能排除這些因素會帶來影響。由於OXPHOS抑制劑在糖尿病和腫瘤治療領域非常重要，因此，這項關於細胞對OXPHOS抑制劑反應的異質性研究為揭示這些疾病的藥物治療過程中，藥物反應中的細胞異質性如何由細胞之間潛在的代謝差異所引起帶來了新的思路。

原文連結：

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2021.01.014

製版人：十一

參考文獻

1. Altschuler, S.J., and Wu, L.F. (2010). Cellular heterogeneity: do differences make a difference? Cell 141, 559–563.

2. Liu, J., Peng, Y., Shi, L., Wan, L., Inuzuka, H., Long, J., Guo, J., Zhang, J., Yuan, M., Zhang, S., Wang, X., Gao, J., Dai, X., Furumoto, S., Jia, L., Pandolfi, P. P., Asara, J. M., Kaelin, W. G., Jr, Liu, J., and Wei, W. (2021). Skp2 dictates cell cycle-dependent metabolic oscillation between glycolysis and TCA cycle. Cell Res, 31(1), 80–93.

3. Dussmann, H., Perez-Alvarez, S., Anilkumar, U., Papkovsky, D.B., and Prehn, J.H. (2017). Single-cell time-lapse imaging of intracellular O2 in response to metabolic inhibition and mitochondrial cytochrome-c release. Cell Death Dis. 8, e2853.