对话刘兴国教授｜从共生到共舞，线粒体与细胞核如何联手改写干细胞命运？

刘兴国教授：我的科研之旅，始于孔孟之乡的齐鲁大地。在泰安一中就读时，一颗成为科学家的梦想种子在我心中悄然种下，从此开启了漫长的科研征程。

本科期间，我在山东大学夯实知识基础，初步培养了学术素养与学习能力。随后，在清华大学攻读博士学位，得以深入专业领域，接触前沿学术资源，科研能力得到显著提升。

2007 年春天，我前往美国费城托马斯杰斐逊大学，在著名线粒体学家 Gyorgy Hajnoczky 教授实验室进行博士后研究。这段经历让我接触到国际顶尖科研技术与理念，拓宽了国际视野，积累了丰富的科研经验，为日后的科研工作注入了国际化元素。

2010 年，作为中国科学院引进的海外杰出人才，我来到中国科学院广州生物医药与健康研究院，并组建起自己的科研团队。自此，开启了独立开展科研工作的新篇章。在随后的十余年间，在领导、前辈及同行的支持与帮助下，团队独辟蹊径，成功建立起线粒体调控干细胞这一国际前沿的研究方向。

回顾这段历程，儿时梦想的萌芽、国内扎实的学习基础、国外先进的科研经历以及回国后团队的开拓创新，共同塑造了我的科研理念——既重视科研的严谨性与创新性，也强调团队协作以及国际交流合作的重要性，致力于在良好的科研环境中，带领团队持续推动科研事业迈向新高度，为国际科研领域贡献中国智慧与力量。

刘兴国教授：我所在的中国科学院广州生物医药与健康研究院具有先进的干细胞研究平台，在我国首先建立了诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）技术，使中国成为第三个掌握此技术的国家。iPSC 技术实现了体细胞重编程获得多能性，具有疾病模型、移植治疗的临床应用意义，同时为细胞转换机理研究提供了良好模型。iPSC 重编程机理在表观、转录层次被广泛研究，然而亚细胞水平的研究还很少。在亚细胞水平，有许许多多的细胞器，像是不同的车间，有秩序地进行生命活动，维持整个细胞的运转。在哺乳动物中，线粒体是一种特殊的唯一具有遗传物质的细胞器，它们具有自己的 DNA，称为线粒体 DNA，具有「半自主性」。因此，细胞内具有遗传物质的细胞核、线粒体，在细胞命运发生转变时，是如何交流来调控的，是一个亟待回答的科学问题。细胞的英文「Cell」，同时也有「房间」的含义，当房间的用途发生转变，需要细胞核、线粒体这一对「夫妇」好好商量。

线粒体与细胞核的相遇发生在大约二十亿年之前，彼时某年某月某日某一次拥抱，二者在一个细胞内共生共存，开始了跨越二十亿年的爱恋。此次连理，令地球上诞生了真核生物，绚丽的植物，活跃的动物，演化出如此灿烂的生命和智慧。进化过程中细胞核保存了很多线粒体的基因，使线粒体成为细胞的能量提供者。然而，线粒体如何调控细胞核是一个一直未被回答的基本科学问题，我们团队从新颖的视野，研究线粒体与细胞核互作的细胞命运决定全新模式及生理病理意义。

生理方面，从活性氧簇、代谢、组分等多个角度系统描述了线粒体反向调控细胞核的全新模式。例如，线粒体氧离子信号调控细胞核 DNA 与组蛋白甲基化的「线粒体闪烁」新模式；线粒体三羧酸循环酶入核调控组蛋白乙酰化的「线粒体信物」新模式，线粒体未折叠蛋白反应调控间充质-上皮转换的「线粒体遇见」mtMET 新模式。

病理方面，利用 iPSC 揭示了线粒体引发细胞病变的靶点，并且首次将 iPSC 应用到个体化药物毒性研究。线粒体相关肝病是急性肝功能衰竭的重要原因，我们利用干细胞技术对这一类疾病进行了抽丝剥茧的研究。

线粒体 DNA 缺失综合征是由于维持线粒体 DNA 合成的核基因发生突变，线粒体 DNA 含量严重减少，导致多组织器官功能障碍的遗传疾病。一类是 Alpers 综合征是线粒体 DNA 聚合酶 POLG 突变导致的，常有难治性癫痫等症状。丙戊酸是治疗癫痫的常用药，但是 Alpers 综合征的病人服用丙戊酸，经常会导致病人急性肝衰竭（约 1/3 的病人服用丙戊酸 3 个月发生肝衰竭），原因一直不清楚。

我们首次实现线粒体肝病这一类疾病的 iPSC 建模，在细胞水平阐明了丙戊酸诱发 Alpers 综合征肝毒性的机理，也为解决这一临床难题提供了靶点和候选药物筛选策略。更重要的是，这是除了体外疾病模型和体内细胞移植之外，首次将 iPSC 技术应用到个体化临床药物毒性研究中，为研究和解决此类临床问题提供了成功案例。著名药物安全专家 Yvonne Will 在其主编的教科书 Drug Discovery Toxicology 中专设一章介绍了本成果。

刘兴国教授：线粒体的代谢物直接调控了细胞核表观遗传的重塑，但对多能性的调控一直不清楚。我们团队发现 iPSC 重编程中线粒体代谢介导「表观组-代谢组-表观组」的信号级联反应，提出了跨界调控的新理论。Glis1 在重编程中结合并激活糖酵解基因，同时结合并抑制体细胞基因，提高了代谢物乙酰辅酶 A 和乳酸的水平，进而调控了多能性基因启动子上的组蛋白乙酰化修饰和乳酸化修饰，加速了多能性的获得。

值得一提的是，本研究发现由乳酸产生的新型组蛋白乳酸化修饰调控细胞干性。这是继组蛋白乳酸化修饰 2019 年 10 月在巨噬细胞极化中被发现后，首次发现此修饰调控细胞转换。该工作为研究细胞命运调控机理中的多层次调控及代谢物在多能性干细胞命运中的作用提供新视角和理论依据。这一「表观组-代谢组-表观组」的级联反应三部曲，正如蝴蝶效应中微风变飓风需要千里的混沌条件，又如那青花瓷的美丽在纯青炉火中需要渺渺烟雨共同塑就。体细胞要返老还童，回到精卵「一如初见」的多能性状态，需要代谢这一跨界伏笔，正是「蝶恋转千里，天青等烟雨。若欲如初见，代谢为伏笔」。

刘兴国教授：我们团队研究发现并证实了线粒体基因细胞色素 b（CYTB），作为唯一的呼吸链复合物 III 的线粒体编码基因，其信使 RNA 出线粒体而使用胞质核糖体的标准遗传密码编码全新的 187 个氨基酸长的蛋白质（CYTB-187AA），翻译后定位到线粒体基质中。这一新蛋白沉默的转基因敲入小鼠模型及细胞模型发现其调控早期发育。这项工作发现了一种线粒体 DNA 编码胞质翻译蛋白的「线粒体约定」新模式（mtDNA-encoded proteins arising from cytosolic translation，mPACT，PACT 在英文中有「约定」之意）。也鉴定了线粒体信使 RNA 编码的第 14 种蛋白质的存在和调控早期发育功能，改写了教科书中「线粒体基因组编码 13 个蛋白」的论断，报道了细胞核中心法则和线粒体中心法则交互使用。

我们团队首先利用液相色谱串联质谱（LC-MS/MS）鉴定了 CYTB-187AA 的外源特征肽，在多株人、鼠的细胞中鉴定了多条匹配的内源特征肽。团队使用 MoonTag 系统可视化 CYTB-187AA 信使 RNA 在胞质核糖体的翻译，并使用定制 CYTB-187AA 特异性抗体通过蛋白免疫印迹在多株人、鼠的细胞中检测到了 CYTB-187AA。通过比较线粒体基因组缺失细胞和野生型细胞，发现 CYTB-187AA 仅在后者表达，从而论证了这一新蛋白源于线粒体基因组编码。

之后我们思考，这一蛋白在胞质翻译后定位到哪里呢？惊奇地发现这一蛋白在胞质翻译后又回到了线粒体内。通过片段删除的方法，我们锁定了 N 端的 37 个氨基酸在靶向线粒体中起到了决定性作用。进一步通过超高分辨显微镜，清晰地标记了线粒体的双层膜的各个空间，论证了 CYTB-187AA 定位到线粒体内膜包裹的基质中。

那这一蛋白发挥怎样的功能呢？我们敏锐地观察到：诱导多能干细胞（iPSC）与其来源的成纤维细胞或其分化的肝细胞相比，CYTB-187AA 在 iPSC 中的表达量更高。于是，团队重点研究了 CYTB-187AA 与多能性的关系。哺乳动物的多能干细胞有两种状态：原始态（naïve）和始发态（primed），分别对应着床前囊胚的内细胞团与着床后的外胚层细胞。CYTB-187AA 是原始态所必需的，并调控两种状态的转换过程。机制上，CYTB-187AA 通过与线粒体磷酸转运蛋白 SLC25A3 相互作用，以 ATP 依赖的方式进行调控。进一步，团队建立了 CYTB-187AA 敲降小鼠模型进行体内功能的研究，惊奇地发现敲降的雌性小鼠的生育能力受到很大损害。团队按图索骥发现 CYTB-187AA 敲降导致卵泡数量减少这一发育障碍。

在这项研究中，我们团队首次发现了线粒体编码基因 CYTB 的双重翻译模式，其中母蛋白 CYTB 之外，CYTB 基因还编码一个新的由胞质翻译的并定位于线粒体基质的蛋白 CYTB-187AA。因此，与在呼吸链复合物 III 中的 CYTB 蛋白比较， 这一线粒体基因编码的第 14 个蛋白质 CYTB-187AA 与 SLC25A3 相互作用，异曲同工地调节能量过程。前者如同 ATP 的「生产工」，后者如同 ATP 原料的「搬运工」，如同能量太极的「阴阳互补」在早期发育中发挥重要作用。

线粒体与细胞核二十亿年的进化中，线粒体与细胞核相恋相依，两套中心法则并不是「动如参与商」。「奈何等闲丝未尽，我以我心为探看」， 线粒体约定，用其部分信使 RNA 使用细胞核中心法则，这是全新的细胞器互作及中心法则交互事件。

刘兴国教授：在科研这条充满未知与挑战的征途上，我作为科研工作者，常常面临困境，实验结果也未必总能如愿以偿。然而，在多年的探索中，我逐渐摸索出了一套维持创新思维、保持持久动力以及应对挫折的有效方法。

好奇心始终是我保持创新思维的源泉。每当陷入科研瓶颈，我便让自己静下心来，回归研究的核心问题，抛开现有的研究路径和模式，尝试从不同学科、不同视角去思考，力求突破思维定式，寻找新的切入点。这种对未知的强烈渴望，促使我不断探索，激发创新灵感。

而持续的动力，则源于我对科研价值的深刻认知。我深知，科研成果不仅关乎学术的进步，更可能对社会、对人类产生深远的影响。这种使命感让我在面对重重困难时，依然坚定地选择坚守，不断推动自己在科研道路上前行。

当实验结果不尽如人意时，首先要做的是及时调整心态。我会提醒自己，失败是科研的常态，每一次失败都是在为成功积累经验。在迅速摆脱沮丧情绪后，我与团队会冷静迅速地复盘整个实验流程，从实验设计的合理性、操作过程的规范性，到数据收集与分析的准确性，全方位排查可能出现问题的环节。

在调整方向时，会积极与同行交流，参加各类学术会议。同行们丰富的经验和多元的思维方式，往往能为我提供新的思路。同时，我也会广泛阅读跨领域的文献资料，拓展知识边界，从其他领域的研究成果中汲取灵感，为自己的科研项目找到新的方向。如此，我便能继续坚定地在科研道路上探索下去，向着未知的高峰不断攀登。

刘兴国教授：在生命科学领域，研究技术革新与科研服务企业的助力是推动进展与突破的关键力量。像普洛麦格这类在生命科学研究领域产品线丰富、长期助力科研探索与技术转化的企业，未来会为科研工作提供更有力的支持。

企业应持续加大对生命科学基础研究的资金投入。基础研究是众多重大发现的源头，企业可设立专项基金，鼓励科研人员开展前沿性基础研究项目，例如对生命微观机制的深入探索等。同时，联合科研机构开展产学研合作项目，将企业的实际需求融入科研，加速成果转化。普洛麦格凭借其丰富的产品线，可在合作中为科研提供更适配的工具与技术支持，助力从实验室成果迈向实际应用，提升企业在生命科学产业中的竞争力，创造更大价值。

企业要建立更完善的资源共享机制。开放先进的实验设备与积累的生命科学数据资源，让高校与科研机构能够充分利用，提高资源利用率。此外，还可搭建线上线下结合的开放创新平台，吸引全球生命科学领域的人才，围绕难题展开合作，激发创新活力，增强企业在全球生命科学科研网络中的影响力。

人才培养同样至关重要。企业应积极与高校联合培养生命科学人才，为学生提供实习机会，使其提前熟悉行业需求。同时，大力引进国内外高端生命科学人才，以优厚待遇和良好的科研环境留住人才。在企业内部设立科学合理的激励机制，对在生命科学科研项目中取得突出成绩的人员给予奖励，打造一支专业、稳定且富有创新精神的生命科学科研人才梯队。

望未来科研服务企业将能够更好地推动生命科学科研事业不断向前发展，实现企业与科研的互利共赢，为生命科学领域的进步贡献更大力量。

结语

中国细胞生物学学会-普洛麦格创新奖简介

中国细胞生物学学会（CSCB）简介

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