Nature | 腸類器官發育中如何調控再生能力？

2020-10-26 BioArt

編者按


腸道類器官，因其培養體系穩定、發育過程相對明確而被科學研究和藥物研發廣泛使用，但是，仍有很多問題尚不清楚。比如，鼠腸類器官可以在完全分化狀態下持續傳代，而人腸類器官只能持續培養對稱完整的，一旦分化就無法傳代，這是否因為培養條件沒有達到最優狀態？

即使研究相對清楚的信號通路，如Wnt，不同化合物抑制這個通路，卻產生了不同的表型，原因在哪裡？使用純化的蛋白培養類器官的活力就不如條件培養基培養的類器官好，是因為什麼呢？人胚胎類器官在培養過程中，會出現多種表型（對稱型、出芽型、混合型等等），在表型不均一的情況下，科學研究想要做到高重複性會比較困難，那麼這種不均一性是什麼原因所導致的？在類器官發育過程中，想要在第n天獲得特定的表型，比如更多的Paneth 細胞，那麼如何傳代才能相對準確的保證實驗的可重複性？


本篇文章的研究，不但提供了全面研究類器官生長發育的方法和平臺，更重要的是，將腸類器官表型和相關功能進行分類定義，為後續研究提供一定規則參考和思路，也為以上問題的解答奠定了的基礎。


撰文 | 覺主在路上
責編 | 兮


腸道上皮(intestinal epithelium)由一層極化的細胞組成，這些細胞具有獨特的可塑性，在正常情況下能夠進行分裂、增殖和分化，而在受損傷的狀態下，又能夠去分化，轉變為大量增殖細胞以進行修復/再生(regeneration)【1,2】。在組織結構和微環境穩態的重建過程中有著數不盡的信號通路參與其中，而這個過程是如何被調控的還尚不清楚。近年來，腸道類器官因其與腸道上皮組織高度一致性而被廣泛應用於科學研究和工業領域。一個完整的類器官能夠從一個單個細胞長成一個高度自我調控的完整結構（詳見BioArt報導：Nature 長文| 腸道類器官發育中如何打破對稱性？）：單個細胞首先長成一個具有對稱性的囊腫形態，隨著Paneth細胞和其他吸收細胞的出現，這種對稱被打破，進而長成一個出芽型類器官。類器官的這個生長過程很好的概括和模擬了上皮再生和穩態建立的形成【3】。


為了更好的研究組織修復過程，近日，來自瑞士Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research (FMI)的Prisca Liberali團隊在Nature 上發表了文章Phenotypic landscape of intestinal organoid regeneration，通過使用類器官模型，開發了一種基於影像分析的篩選平臺，全面的展示了類器官生長過程中的表型變化及其相關功能信號通路，並提供了能夠提高損傷後再生能力的潛在靶點。



研究人員首先建立了一個基於影像分析的篩選平臺以全面的了解不同信號通路對於類器官表型變化的影響（圖1），篩選的化合物總共有2789個，涵蓋了目前常用的激酶抑制劑 (inhibitors of kinases)、細胞核激素受體 (nuclear hormone receptors)、轉錄調控因子（transcriptional regulators）等等。化合物從第0天單個細胞開始處理，共孵育4天，4天後對類器官特定細胞enterocytes (抗aldolase B)和Paneth cells (抗lysozyme)進行染色，然後對每一個類器官進行拍照，根據每個類器官內Lysozyme、aldolase B的表達強度和類器官形態進一步進行歸類。


圖1 篩選流程


根據表型相似性原則【4】，共總結7種表型大類（15個表型小類）（圖2左）。多次重複實驗後， 確認了301種化合物及其對應的207個基因具有高度表型一致性和重複性。進一步通過等級相互作用得分（hierarchical interaction score, HIS）對這207個基因相互作用和功能進行分析，構建出約6800 HIS 交互作用的網絡，涵蓋了包括Wnt信號通路的6個高度相互聯繫的網絡 （圖2右）。接下來，研究人員從每個特性表型中選出一個目標基因進行體外和體內的驗證，包括Psen1 (Paneth cell hyperplasia), Casr (Wnt hyperactivation), Akt1 (enterocyst phenotype) 和Rxra (regenerative phenotype)。文章正文主要闡述了再生表型相關基因Rxra的驗證過程。


圖2 代表性表型（左）和HIS互作網絡（右）


RXR （Retinoid X receptor）相關的信號通路參與調控腸上皮細胞（Enterocyte cell，EC）的分化，研究人員通過使用RXR的激活劑和抑制劑處理類器官，在不同時間點對類器官進行染色和利用10x Genomics單細胞基因表達解決方案進行單細胞測序分析，從正反兩方面證明了RXR信號通路能夠調節再生和EC分化兩者之間的平衡，抑制RXR的類器官能夠重新具有再生能力，而激活RXR信號通路則使得類器官成熟的更快 。動物體內實驗也進一步驗證了RXR對於組織再生的促進作用，對輻照誘導產生的腸炎動物進行短時RXR抑制處理後發現，動物體重和腸上皮屏障功能都有明顯的提高，組織內觀察到大量Goblet 細胞的生成、腺窩底部有大量增值細胞的生成和積累以及更長的絨毛生成。


總的來說，本項研究建立了基於影像的篩選平臺，能夠在一次篩選過程中全面闡述類器官的表型特徵和生長過程，並首次繪製腸道類器官自我組裝過程中相關功能基因相互作用網絡圖，同時，驗證了RXR信號通路在腸修復過程中的重要作用，為此信號通路的研究提供了思路，為腸道修復過程中靶點藥物開發提供了有力證據。


原文連結：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2776-9


製版人：schweine


參考文獻

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