【學術前沿】細胞去分化助力腸上皮可塑性和再生能力

【學術前沿】細胞去分化助力腸上皮可塑性和再生能力

2020-10-09 16:55 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務

小腸上皮主要有三個功能，即食物消化吸收、保護和激素分泌。上皮細胞從隱窩處產生，遷徙到小腸表面，最後在小腸絨毛端處死亡，平均4-7天更新一次，是哺乳動物體內自我更新速度最快的組織。其中隱窩處Lgr5陽性表達的小腸幹細胞是腸上皮自我更新的動力來源。有人在體外水平還證實了這種圓形高表達Lgr5, Olfm4, CD133和Lrig1的小腸幹細胞在傳了數代以後，仍然具備強大的克隆能力和穩定的基因組。

而當小腸上皮受到持續損傷時，小腸幹細胞就無法滿足如此快速的自我更新和修復了。於是靜息期的幹細胞、祖細胞甚至一些終末分化的細胞會重新啟動細胞周期，回到幹細胞狀態，對損傷處進行再生修復（如下圖）。接下來主要對這些細胞已經的研究進展進行綜述。

左圖是正常情況下Lgr5陽性小腸幹細胞分化成小腸上皮各種細胞類型的過程。右圖是損傷發生時，第四位靜息期幹細胞逆轉成Lgr5陽性小腸幹細胞（左）和祖細胞以及終末分化細胞去分化為幹細胞（右）的兩種模型

一、靜息期幹細胞

靜息期幹細胞顧名思義，增殖不活躍。所以並沒有細胞增殖的分子標誌物用於標記靜息期幹細胞。現在有一種方法就是用脫氧尿苷(BrdU/EdU)標記，這種染料可以與DNA相結合。如果細胞是快速分裂和增殖的，經過幾代之後就會將染料稀釋，而靜息期幹細胞可以長期保留這種染料，所以又叫「標籤保留細胞」。這個方法的缺點就是無法在活細胞水平檢測BrdU/EdU。替代的方法有組蛋白H2B融合螢光蛋白，靜息期幹細胞在很長一段時間內是可以保留這種染色體標記的螢光，這種方法方便直接觀察，也方便後續鑑定。

最近興起的單細胞測序技術通過對細胞命運、異質性和譜系進行研究，鑑定出了很多幹細胞分子標誌物，也進一步完善了此前的理論。例如「標籤保留細胞」和小腸幹細胞並不是完全等價的，有一部分短期標籤保留的細胞更像是腸內分泌樣細胞，而只有Hpox標記的細胞才是最主要的靜息期細胞，再例如Mex3a被認為可以指示Lgr5陽性小腸幹細胞的某一個亞群；Clusterin標記出了一群與Lgr5陽性細胞完全不同的罕見細胞，而這群細胞同樣能在腸上皮損傷時通過YAP介導的方式發揮重要再生作用；Bmi1主要是腸內分泌細胞的標誌物，Prox1既是腸內分泌細胞又是簇狀細胞的標誌物，Bmi1和Prox1雙陽性細胞被證實能夠在腸上皮損傷和穩態調節時逆轉成小腸幹細胞；而來自吸收和分泌譜系的Ascl2陽性細胞是發生去分化形成小腸幹細胞的重要細胞來源。那麼描述靜息期幹細胞最合適的標誌物主要是Bmi1、Tert、Hopx和Lrig1，還有Mex3a和Krt19等。

二、分泌祖細胞

分泌祖細胞可以分化成潘氏細胞、杯狀細胞、腸內分泌細胞和簇狀細胞。在正常穩態調節的時候，主要由Atoh1表達陽性的分泌祖細胞向各種分泌細胞分化。而在腸損傷的時候，則由Dll1（Notch配體）表達陽性的分泌祖細胞發生去分化用以補充幹細胞。除了Dll1以外， Sox9高表達的細胞也可以被認作分泌祖細胞。

三、吸收祖細胞

鹼性磷酸酶（Alpi）高表達的腸上皮細胞可以去分化形成隱窩絨毛色帶狀物，這個研究在轉基因小鼠中已經得到證實。這群細胞主要表達與細胞增殖和乾性相關的基因，還表達潘氏細胞的一些標誌物。但如果離開隱窩，這群細胞即失去了去分化的能力。

四、腸內分泌細胞

Bmi1除了是靜息期幹細胞標誌物之外，也被證實是成熟腸內分泌細胞的一種標誌物，這群細胞同樣可以實現向Lgr5陽性小腸幹細胞轉化。尤其在參與腸損傷修復過程中，Bmi1和Prox1均可以認作去分化過程的重要標誌物。

五、潘氏細胞

成熟的潘氏細胞（Lyz1陽性表達）在應對輻射時可以重新進入細胞周期，並去分化補充幹細胞。去分化過程依賴Notch信號通路，但是誘導潘氏細胞重新進入細胞周期則主要是通過炎症反應刺激c-Kit/Akt通路激活β-catenin。

六、簇狀細胞

簇狀細胞的標誌物是雙皮質激素樣激酶（Dclk1），當然也有Prox1。在腸損傷模型中觀察到Dclk1陽性簇狀細胞發生減少並向小腸上皮細胞分化再生。當簇狀細胞出現APC基因突變時，這種細胞在炎症刺激下會表現腫瘤的一些特性。

七、信號通路

調控腸上皮的可塑性和去分化依賴多條重要的信號通路。其中Wnt/β-catenin有助於維持幹細胞自我更新和增殖能力；BMP/Smad信號通路作用正好相反，能促進細胞分化，抑制細胞增殖，引起細胞死亡；EGF/MAPK信號通路刺激幹細胞增殖，不過在GSK3和BMP抑制劑處理維持Lgr5陽性細胞的乾性時，這個通路似乎並不是主要的靶點；Notch的作用比較複雜，在Wnt信號激活的時候可以促進細胞自我更新，而在Wnt通路被抑制的時候卻表現出促進細胞分化的功能，Notch通路如果被抑制，細胞向分泌型譜系特化；YAP/TAZ通路可以促進細胞重編程和組織再生；EGFR/ERK通路可以把Lgr5陽性腸幹細胞轉化成靜息幹細胞。

八、調控蛋白

此外，還有一些蛋白也與腸上皮細胞的可塑性有關。比如ATOH1蛋白多個位點的磷酸化對分泌祖細胞向幹細胞轉化有重要意義，如果這些磷酸化位點發生突變則不利於腸上皮進行損傷修復。再比如Ascl2，這個蛋白是Wnt通路的下遊靶點，但目前並不清楚它在吸收和分泌祖細胞向幹細胞轉化過程中的作用。IL-22可促進Lgr5陽性腸幹細胞增殖和上皮再生，但又有論文指出IL-22通過抑制Wnt和Notch通路反而使Lgr5陽性腸幹細胞數目降低。

總而言之，深入理解腸再生的分子機制將有助於我們掌握幹細胞的狀態，並開發出更有前景的策略用於治療腸癌和腸炎。

原標題：《【學術前沿】細胞去分化助力腸上皮可塑性和再生能力》

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