南开新闻网讯（通讯员 帅领）近日，南开大学药物化学生物学全国重点实验室帅领教授团队联合重庆医科大学童超教授、高倩特聘研究员团队，首次从代谢重编程视角系统揭示小鼠单倍体胚胎干细胞自发二倍体化的核心分子机制，并成功研发无基因修饰、可长期稳定维持单倍体特性的代谢优化培养基——MBH培养基。该成果为单倍体系统在功能基因组筛选、发育机制研究及生物医药研发等领域的规模化应用单倍体场景提供了全新策略与关键技术支撑。相关研究成果以“Metabolic Imbalance Triggers Adaptive Remodeling to Accelerate Diploidization in Murine Haploid Embryonic Stem Cells” 为题，于4月23日在线发表于主流综合性期刊Advanced Science（先进科学）。
单倍体胚胎干细胞兼具干细胞自我更新能力与单基因组的独特遗传优势，是高通量遗传筛选、基因功能解析、疾病模型构建的核心工具，在生物医药研发领域极具应用价值。然而，单倍体胚胎干细胞在体外常规培养及诱导分化过程中极易发生自发二倍体化，如此便快速丧失其单倍性优势。目前主流的流式分选技术定期分选富集单倍体的方法操作繁琐、耗时耗力，且反复分选会造成严重细胞损伤与基因组不稳定等问题，而基于基因编辑的干预手段会引入永久性基因组修饰，存在一定的基因组风险性。如何开发安全且长期稳定维持单倍体特性的培养体系，始终是该领域亟待攻克的关键技术难题。
本项研究中，帅领团队通过转录组与代谢组联合分析、线粒体功能系统表征及全基因组遗传学筛选，阐明了代谢失衡驱动单倍体细胞二倍体化进程的核心调控机制。研究发现，单倍体细胞存在固有的线粒体结构与功能缺陷，表现为线粒体形态肿胀、嵴结构模糊，且线粒体内活性氧水平显著升高，这些现象均导致细胞凋亡敏感性大幅增加。而二倍体化后的细胞线粒体数量翻倍，形成完整的功能网状结构，呼吸与能量产生能力显著增强，具有更强的生存优势。在长期培养过程中，二倍体细胞逐渐占据主导地位，自发二倍体化本质上是单倍体细胞逃避代谢应激的适应性生存方式。进一步研究证实，丙酮酸-乳酸代谢轴失衡是驱动二倍体化的关键诱因，抑制线粒体丙酮酸转运可有效阻断三羧酸循环过度激活，显著延缓其二倍体化进程。
基于上述机制发现，团队以线粒体质量为表型标记开展全基因组遗传学筛选，鉴定出Fbxw14、Dapk3等多个调控单倍体稳定性的关键线粒体质量控制基因。在此基础上，团队整合抗凋亡、糖酵解重编程和三羧酸循环抑制三个功能模块，设计开发了全新的代谢优化培养基MBH。实验结果表明，在MBH培养基中培养的野生型单倍体胚胎干细胞，经过10代以上的长期传代仍能保持极高的单倍体比例，且基因组完整性、表观遗传稳态和多向分化潜能均未受到影响。与传统方法相比，MBH培养基无需任何基因修饰，操作简便、安全高效，大幅降低了单倍体细胞的培养成本与使用门槛。
图1单倍体胚胎干细胞二倍体化过程中的线粒体重塑
帅领教授表示：“这项研究首次将代谢重编程与染色体倍性调控直接关联，从全新视角完善了单倍体干细胞命运调控理论。我们开发的MBH培养基解决了长期困扰单倍体干细胞领域的核心问题，为高通量功能基因组学研究、早期胚胎发育机制解析及创新药物研发提供了技术平台保障。”
南开大学药物化学生物学全国重点实验室博士研究生付羿、副教授张文豪、博士研究生张奕凡，重庆医科大学贺雨副主任医师为该论文的共同第一作者。南开大学帅领教授、重庆医科大学儿童医院童超教授、重庆医科大学附属第一医院高倩副研究员为论文共同通讯作者。该研究得到了科技部重点研发计划和国家自然科学基金区域联合重点基金（辽宁）等多个国家级项目的资助。
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202522570
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