来源：BioArt
细胞和细胞说：“我们不一样！”这便是细胞的异质性，不同的细胞发生着不同的代谢过程。正是细胞的异质性限制了药物的功效【1】，所幸基于单细胞的检测方法为我们提供了解决这一问题的思路，但是我们还不清楚采用单细胞方法所检测到的变化来自哪里？对下游途径有什么影响？
氧化磷酸化（OXPHOS）抑制剂是研究细胞代谢的有效工具，OXPHOS抑制剂为改善糖尿病、癌症等疾病以及阐明疾病的细胞生物学机理有着重要的作用。可是，基本上所有的已知的OXPHOS抑制剂都是针对细胞群体整体特征的，这忽略了单个细胞的异质性。研究细胞的代谢功能可以检测糖酵解、氧消耗【2, 3】，AMPK由于能够直接结合ATP，所以其活性可以反应OXPHOS抑制所导致的代谢变化。
2021年2月8日，来自加州大学戴维斯分校的John G. Albeck团队在Cell Metabolism杂志上发表题为Transient phases of OXPHOS inhibitor resistance reveal underlying metabolic heterogeneity in single cells的研究论文，在这篇研究论文中，作者使用活细胞测量AMPK活性以量化单细胞之间OXPHOS的差异，发现单个细胞在数小时的范围内都在敏感状态和抗性状态之间进行着相互转换，这与细胞周期和糖酵解有关，证实了OXPHOS在细胞之间以及在同一细胞内随着时间的推移在功能上都发生着重要的变化。
代谢中的细胞间异质性在生理学和药理学中起着未知的作用。为了在功能上表征代谢中的细胞变异性，作者开发了一种活细胞成像方法，用于探测细胞中的能量代谢状态，即OXPHOS过程中ATP的生成。作者用OXPHOS抑制剂处理细胞，并用活细胞报告基因监测它们对ATP、ADP/ATP、以及能量感应激酶AMPK活性的影响（图1）。
如图1所示，AMPKAR2指示AMPK激酶活性，PercevalHR报告细胞内ADP/ATP比例，ATeam1.03报告细胞内ATP浓度（BioArt按：实际上AMPK活性的变化并不能和ADP/ATP比例变化划等号，详见综述：『珍藏版』“Must-Read”综述丨阴阳相济的中庸之道——AMPK和mTORC1营养感知与细胞生长调节）。通过这种方法实现了单细胞层面的检测，检测到了细胞代谢的异质性。
图1. ATP代谢示意图和使用的报告基因
在多种OXPHOS抑制剂和细胞类型中，作者鉴定了对AMPK活化和ADP/ATP比率降低具有抗性的细胞亚群。这种抗性状态持续至少数小时，并且可以在细胞周期的分裂期间遗传。
有趣的是，OXPHOS抑制剂抑制敏感细胞中的mTORC1和ERK信号传导途径，但不抑制抗性细胞中的mTORC1和ERK生长信号传导途径。抗性细胞缺乏AMPK反应并且不能抑制ERK和mTOR信号。细胞的抗性与增加的葡萄糖摄取、减少的蛋白质生物合成、以及G0/G1细胞周期状态的多种因素都有关。细胞中糖酵解和ATP转换的平衡关系决定了OXPHOS抑制剂的反应（图2）。
细胞中，ATP存在两种代谢的状态：OP-ind（OXPHOS-independent）和OP-dep（OXPHOS-dependent）。OP-dep细胞具有低糖酵解能力和高ATP需求；在OXPHOS抑制后，这些细胞以ADP增加为代价保持恒定的ATP浓度，其触发AMPK的活化并抑制mTORC1和ERK途径。OP-ind细胞具有高糖酵解能力和相对低的ATP需求。在OXPHOS抑制后，这些细胞可通过糖酵解维持恒定的ATP和低浓度的ADP，因此AMPK无活性。
图2. 细胞代谢异质性的示意图
总而言之，这项研究揭示了细胞中能量代谢的动态波动，这种波动是由于不同细胞通过糖酵解产生ATP的能力与其ATP消耗或周转之间的平衡存在短暂差异而导致的。
作者的研究是在永生化细胞系中进行的，并且结果主要依赖于报告基因，所以，也不能排除这些因素会带来影响。由于OXPHOS抑制剂在糖尿病和肿瘤治疗领域非常重要，因此，这项关于细胞对OXPHOS抑制剂反应的异质性研究为揭示这些疾病的药物治疗过程中，药物反应中的细胞异质性如何由细胞之间潜在的代谢差异所引起带来了新的思路。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2021.01.014
参考文献
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.
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