Nature:心臟和肺的幹細胞的進化史

生命是如何適應陸地生活的發展史長期以來困惑著生物學家們——恐龍的後代，如何從鰭進化成手臂和腿的？魚的器官肺是如何進化的？

生物學家們已經知道了心臟和肺如何適應陸地生活的進化史，主要通過心臟的功能和肺的氣體交換的功能相耦合。肺是在哺乳動物進化過程中最後形成的一個器官，對於地球上的生命可以說是最重要的器官。

在胚胎發育過程中闡明了心臟和肺這兩個系統的細胞是如何協調發展的。最初原始的肺的祖細胞可以伸入到心臟的原始的祖細胞從而使兩個器官可共同形成了心肺循環系統。然而，這個共同的循環系統發展的分子機制還無法完全明白，這兩個器官共同的祖細胞是如何影響相關的疾病的發展的？比如肺動脈高壓的形成。

最近發表在Nature上的一篇文章闡明了肺的血管，連接心臟和肺的血管即使沒有肺也能形成。在小鼠身上肺的發展抑制了肺血管的形成，而心臟的祖細胞或幹細胞是心肺發展所必須的。

Edward E. Morrisey 帶領的研究團隊們發現了心臟中胚層有一群多動能的細胞，命名為 CPPs。CPPs 可以通過表達信號分子 Wnt2 ，從而與其它胚胎幹細胞區分。

Morrisey 表示：「我們問這些祖細胞能夠產生心臟和肺的衍生品嗎？我們的數據表明Wnt-2陽性的細胞存在於肺發生之前，幫助肺和心臟的共同發展。」

肺的發展如何和心臟系統互相連接的，這個問題在 Morrisey 實驗室爭論了許多年。 Morrisey 表示：「很明顯，對許多陸生動物進行解剖後發現心臟和肺是互相連接的。在臨床醫學的許多方面也反映了這個問題，比如佩雷爾曼醫學院的心血管醫學曾經劃分為心肺醫學。」

Morrisey 實驗室從一組簡單的問題開始：肺和心臟是如何共同發展的以及調節這一過程的共同的信號？這項工作的重大發現在於發現了 Wnt2 基因。

「Wnt2 基因表達在胚胎早期的一個獨特的地方——具體在心臟和前腸管之間，這也是肺發生的地方。」這就允許科學家們在小鼠身上創造模型，小鼠身上心肺的解剖結構與人的非常相似，那麼 Wnt2 陽性細胞是否可以協調心肺的發展呢？

使用細胞系追蹤分析，他們發現 Wnt2 細胞可以形成單獨的克隆，反過來，形成心和肺組織，包括心肌細胞和血管細胞比如血管的平滑肌。確實， CPPs 能夠形成大量的早期心和肺的胚胎細胞類型。這些研究表明不同的細胞系在肺內是相關的，比如平滑肌血管和呼吸道平滑肌在肺內共享一個祖細胞。

CPPs 的發展通過另一個已知的蛋白 hedgehog 調控，這個蛋白可以使肺血管和心得到合適的連接。這些研究表明 hedgehog 蛋白，表達在肺的祖細胞幫助促進 CPPs 分化成肺血管的平滑肌。

總之，這些研究發現了一群新的心肺祖細胞，用來協調心和肺的發展從而來適應陸地的生活。

CPPs 細胞的發現對於疾病的研究也和很重要，比如肺動脈高壓的發生。目前還不清楚肺動脈高壓主要是肺的疾病還是心臟和血管系統存在的缺陷。 CPPs 發現為研究肺動脈高壓提供很好的線索。進一步的研究針對 CPPs 細胞是否存在於成年人的心肺系統中以及是否在心肺損傷和疾病過程中扮演著重要的角色。(生物谷Bioon.com)

生物谷推薦英文摘要：

 Nature   doi: 10.1038/nature12358

Coordination of heart and lung co-development by a multipotent cardiopulmonary progenitor

Tien Peng,  Ying Tian,  Cornelis J. Boogerd,  Min Min Lu,Rachel S. Kadzik,  Kathleen M. Stewart,Sylvia M. Evans & Edward E. Morrisey

Co-development of the cardiovascular and pulmonary systems is a recent evolutionary adaption to terrestrial life that couples cardiac output with the gas exchange function of the lung1. Here we show that the murine pulmonary vasculature develops even in the absence of lung development. We have identified a population of multipotent cardiopulmonary mesoderm progenitors (CPPs) within the posterior pole of the heart that are marked by the expression of Wnt2, Gli1 and Isl1. We show that CPPs arise from cardiac progenitors before lung development. Lineage tracing and clonal analysis demonstrates that CPPs generate the mesoderm lineages within the cardiac inflow tract and lung including cardiomyocytes, pulmonary vascular and airway smooth muscle, proximal vascular endothelium, and pericyte-like cells. CPPs are regulated by hedgehog expression from the foregut endoderm, which is required for connection of the pulmonary vasculature to the heart. Together, these studies identify a novel population of multipotent cardiopulmonary progenitors that coordinates heart and lung co-development that is required for adaptation to terrestrial existence.