哺乳動物視網(wǎng)膜傾向于利用有氧糖酵解(Warburg效應(yīng))將大部分葡萄糖轉(zhuǎn)化為乳酸，即使在有氧條件下也是如此，類似于活躍生長的有絲分裂腫瘤細胞。視網(wǎng)膜中的非增殖性和終末分化神經(jīng)元是我們體內(nèi)代謝最活躍的細胞之一。盡管脊椎動物視網(wǎng)膜需要糖酵解和氧化磷酸化來啟動和維持功能視覺，但即使在發(fā)育過程中正在生長的視網(wǎng)膜中，有氧糖酵解也主導(dǎo)著ATP的產(chǎn)生和生物合成。雖然眾所周知，視網(wǎng)膜細胞在細胞分化過程中使用乳酸鹽，然而，優(yōu)先利用有氧糖酵解在視網(wǎng)膜組織形態(tài)發(fā)生中的確切作用尚不清楚。

代謝方式選擇在細胞增殖和分化過程中起著關(guān)鍵作用，代謝物支持能量需求并調(diào)節(jié)各種細胞信號傳導(dǎo)過程。盡管有氧糖酵解的傳統(tǒng)作用是在細胞快速增殖和組織生長過程中支持生物質(zhì)生產(chǎn)和ATP，但最近的研究表明，沿體軸的梯度糖酵解參與了胚胎組織的模式。有趣的是，有研究表明，在雞胚胎發(fā)育過程中，糖酵解介導(dǎo)的細胞內(nèi)pH調(diào)節(jié)，對于控制中胚層分化過程中關(guān)鍵的細胞信號傳導(dǎo)和翻譯后修飾(如乙酰化)至關(guān)重要。另一項研究表明，糖酵解的最終產(chǎn)物乳酸鹽可以作為直接標記乳酸化的信號分子，乳酸化是巨噬細胞極化時調(diào)節(jié)基因表達所必需的一種新型組蛋白修飾。有氧糖酵解衍生的乳酸似乎在免疫反應(yīng)、疾病和胚胎發(fā)育的背景下，為蛋白質(zhì)修飾和基因表達的表觀遺傳控制引入額外的調(diào)控層中起著至關(guān)重要的作用。

實驗亮點

眼睛形成的最初形態(tài)學(xué)標志始于視神經(jīng)囊泡(OV)外翻。與多種上皮組織類似，視神經(jīng)囊泡的形成涉及細胞動態(tài)運動、細胞-細胞粘附的精確調(diào)控以及細胞骨架和細胞外基質(zhì)的重排。然而，在上皮形態(tài)發(fā)生過程中驅(qū)動遺傳和表觀遺傳程序的機制尚不清楚。

胚胎干細胞衍生的類眼器官是表征哺乳動物眼睛形態(tài)發(fā)生的細胞和分子步驟的寶貴資源。為了評估了有氧糖酵解在視網(wǎng)膜發(fā)育過程中的功能作用，作者通過結(jié)合眼類器官和單細胞RNA測序(sc-RNAseq，10X Genomics 的Chromium Single Cell v2 Reagent Kit and Controller)的方法，初步確定了在視神經(jīng)泡形成過程中視網(wǎng)膜祖細胞簇中糖酵解基因(包括特異性葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白)的富集，并進一步通過實驗證實：糖酵解是眼類器官視神經(jīng)泡形成所必需的；Glut1和Ldha活性是小鼠胚胎眼形態(tài)發(fā)生所必需的；乳酸介導(dǎo)眼的形態(tài)發(fā)生。

實驗還證實了在培養(yǎng)的眼類器官中單獨添加乳酸足以挽救缺乏LDH活性的培養(yǎng)物中眼睛形態(tài)發(fā)生的停滯：添加不改變pH值的l-乳酸鈉，在2-脫氧-d-葡萄糖或GNE-140存在的情況下，顯著地挽救了眼睛形態(tài)發(fā)生的缺陷。使用qPCR的定量分析證實，添加乳酸也挽救了Rax（Rax是眼睛形態(tài)發(fā)生的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子）和Six3的表達。添加乳酸足以挽救CKO類器官中的OV缺陷，并且正如預(yù)期的那樣，典型眼睛發(fā)育標志物的表達升高。

研究人員利用眼類器官和小鼠遺傳學(xué)實驗表明:

a)來自眼類器官的scRNA-seq鑒定了在視神經(jīng)囊泡發(fā)育過程中表達的關(guān)鍵糖酵解基因;

b)小鼠胚胎的視野區(qū)域顯示糖酵解活性升高;

c) 視神經(jīng)囊泡形態(tài)發(fā)生需要乳酸的產(chǎn)生;

d)糖酵解介導(dǎo)的乳酸上調(diào)視野轉(zhuǎn)錄因子和相關(guān)的表觀遺傳修飾(H3K27ac)。

結(jié)果表明有氧糖酵解在哺乳動物器官發(fā)生過程中具有意想不到的功能作用。糖酵解衍生的乳酸具有非代謝功能，可作為一種信號分子，在器官形態(tài)發(fā)生過程中發(fā)揮著多種生理作用，參與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)。在OV形態(tài)形成之前，前神經(jīng)板開始有較高的葡萄糖攝取。雖然典型糖酵解需要Glut1和LdhA的活性，但糖酵解的最終產(chǎn)物乳酸可能在眼睛形態(tài)發(fā)生過程中作為內(nèi)源性HDAC抑制劑。這種非范式的調(diào)節(jié)與atp的產(chǎn)生無關(guān)，對特定的眼睛發(fā)育程序至關(guān)重要