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Reduced fatty acid synthesis and enhanced oxidation promote human definitive endoderm differentiation by mediating SMAD3 nuclear localization via acetylation


ABSTRACT: Metabolic remodeling is one of the earliest events that occur during the early differentiation of embryonic stem cells (ESCs), but how these metabolic changes are regulated and participate in the cell differentiation is still largely undissected. Here, we define the fatty acid metabolism as a key player in definitive endoderm (DE) differentiation from human ESCs. During DE differentiation, lipogenesis is decreased while fatty acid β oxidation is enhanced. This dynamic is due to the phosphorylation of lipogenic enzyme acetyl-CoA carboxylase (ACC), which is mediated by AMP-activated protein kinase (AMPK) and inhibits the de novo fatty acid synthesis. More importantly, inhibition of fatty acid synthesis by either its inhibitors or AMPK agonist, significantly promotes the human endoderm differentiation, while blockade of the fatty acid oxidation by genetic manipulation or chemical antagonists impairs the differentiation. The de novo fatty acid synthesis inhibition and fatty acid β oxidation maintaining contribute to the accumulation of cellular acetyl-CoA, which is the essential substrate for protein acetylation. Further study reveals that SMAD3 acetylation and the subsequent subcellular localization exhibit significant change upon interfering fatty acid metabolism. Mechanistically, the accumulation of cellular acetyl-CoA guarantees the acetylation of key transcription factor SMAD3, which further causes the nuclear localization and activation of SMAD signaling pathway to promote DE differentiation. Thus, our current study reveals a fatty acid synthesis/oxidation shift during early differentiation and presents an instructive role of fatty acid metabolism in regulating human early endoderm differentiation.

ORGANISM(S): Homo sapiens

PROVIDER: GSE217992 | GEO | 2023/07/02

REPOSITORIES: GEO

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