撰文丨雪月

Lgr5 陽(yáng)性的腸道干細(xì)胞可以分化為吸收型腸上皮細(xì)胞以及不同類型的分泌細(xì)胞：包括杯狀細(xì)胞（ Goblet 細(xì)胞）、潘氏細(xì)胞（ Paneth 細(xì)胞）、腸內(nèi)分泌細(xì)胞和 簇 細(xì)胞（ Tuft 細(xì)胞）。干細(xì)胞的特性并不是由細(xì)胞本身決定的，而是由隱窩底部的局部間充質(zhì)信號(hào)調(diào)控，尤其是 Wnt/ 增強(qiáng)素（ R-spondin ）類激動(dòng)劑和骨形態(tài)發(fā)生蛋白（ BMP ）拮抗物的作用。

隨著干細(xì)胞的后代遠(yuǎn)離隱窩底部，特異性的轉(zhuǎn)錄因子會(huì)驅(qū)動(dòng)其形成不同的表達(dá)譜和細(xì)胞特性。首先， ATOH1 因子決定了分泌譜系和吸收譜系的分化方向，這是一個(gè)關(guān)鍵的分化節(jié)點(diǎn)，盡管杯狀細(xì)胞和吸收型細(xì)胞共享大量順式調(diào)控元件（主要是增強(qiáng)子）。接著，高水平的 NEUROG3 或 POU2F3 表達(dá)會(huì)分別推動(dòng)細(xì)胞向腸內(nèi)分泌細(xì)胞或刷狀細(xì)胞分化。例如， NEUROG3 陽(yáng)性的前體細(xì)胞會(huì)激活腸內(nèi)分泌細(xì)胞特異性的順式調(diào)控區(qū)域。

潘氏細(xì)胞雖然表型上和腸內(nèi)分泌細(xì)胞或刷狀細(xì)胞一樣具有專一性，但它們?cè)陔[窩底部是獨(dú)特的長(zhǎng)壽命細(xì)胞。多種擾動(dòng)（如缺失 Gfi1 或 Sox9 等轉(zhuǎn)錄因子基因，或發(fā)生組蛋白賴氨酸突變）都會(huì)導(dǎo)致潘氏細(xì)胞的數(shù)量或形態(tài)發(fā)生變化。然而，尚未發(fā)現(xiàn)有任何一個(gè)因子是潘氏細(xì)胞特有的，甚至沒(méi)有在潘氏細(xì)胞中表達(dá)；而且在這類突變小鼠中，通常也可見(jiàn)杯狀細(xì)胞的缺陷。

近日， 來(lái)自 Dana-Farber 腫瘤研究所的Ramesh A. Shivdasani團(tuán)隊(duì)在Cell Stem Cell上發(fā)表 了文章Intestinal secretory differentiation reflects niche-driven phenotypic and epigenetic plasticity of a common signal-responsive terminal cell，發(fā)現(xiàn)腸道的杯狀細(xì)胞和潘氏細(xì)胞源自同一種ATOH1陽(yáng)性的分泌前體細(xì)胞，其命運(yùn)由Wnt和BMP信號(hào)微環(huán)境動(dòng)態(tài)調(diào)控，體現(xiàn)出終末細(xì)胞高度的表型與表觀遺傳可塑性。

作者使用 Atoh1Cre;R26Tom 小鼠，通過(guò) Tamoxifen 誘導(dǎo)標(biāo)記腸上皮分泌譜系細(xì)胞，分離出 tdTom+ 細(xì)胞后進(jìn)行 scRNA-seq 分析 。 分析發(fā)現(xiàn)潘氏細(xì)胞和杯狀細(xì)胞在轉(zhuǎn)錄組和表觀遺傳層面高度重疊，表明它們可能源自一種共同的、 ATOH1 依賴的終末細(xì)胞 。 接下來(lái)作者對(duì) Atoh1 標(biāo)記的 ISC 和分化細(xì)胞進(jìn)行染色質(zhì)開放性分析 。 結(jié)果發(fā)現(xiàn) 杯狀細(xì)胞和潘氏細(xì)胞共享大部分染色質(zhì)開放區(qū)域，但對(duì) Wnt/BMP 信號(hào)顯示出相反的響應(yīng)性，說(shuō)明表觀可塑性受到 微 環(huán)境信號(hào)調(diào)控 。 于是作者 培養(yǎng)小鼠或人源腸類器官，分別在 Wnt-high/BMP-low 與 Wnt-low/BMP-high 條件下誘導(dǎo) ATOH1 表達(dá)并進(jìn)行 RT-qPCR 。 分析顯示潘氏細(xì)胞標(biāo)志物在 Wnt-high/BMP-low 條件上調(diào)，杯狀細(xì)胞標(biāo)志物在 Wnt-low/BMP-high 條件上調(diào)，證實(shí) Wnt/BMP 梯度塑造終末細(xì)胞特征 。

接下來(lái)作者用白喉毒素特異性清除 Grem1 表達(dá)的間質(zhì)細(xì)胞，觀察腸隱窩內(nèi)分泌細(xì)胞表型變化 。 發(fā)現(xiàn) 潘氏細(xì)胞快速轉(zhuǎn)化為杯狀細(xì)胞表型，說(shuō)明正常間質(zhì) 微 環(huán)境通過(guò) Wnt/BMP 維持潘氏細(xì)胞命運(yùn) 。 作者 對(duì)標(biāo)記成熟潘氏細(xì)胞的 Atoh1Cre;R26Tom 小鼠注射抗 RSPO2/3 抗體 。 結(jié)果 潘氏細(xì)胞失去 LYZ1 表達(dá)，遷移出隱窩底部并轉(zhuǎn)化為 MUC2+ 杯狀細(xì)胞樣細(xì)胞，進(jìn)一步證明潘氏細(xì)胞和杯狀細(xì)胞間具有可逆性 。

接下來(lái)作者在人類腸干細(xì)胞中誘導(dǎo) ATOH1 表達(dá)，并在不同信號(hào)條件下進(jìn)行 bulk RNA-seq 。 結(jié)果顯示 多數(shù)杯狀細(xì)胞和潘氏細(xì)胞基因呈顯著表達(dá)升高，確認(rèn)其表型是可塑性的終末命運(yùn)，而非不可逆分化結(jié)果 。

最后作者 使用 Slingshot 和 CellDancer 工具分析 scRNA 和 snATAC 數(shù)據(jù)，重建分化軌跡和基因表達(dá)動(dòng)力學(xué) 。 分析發(fā)現(xiàn) 杯狀細(xì)胞與潘氏細(xì)胞沿共同譜系分化，在分化末端受 Wnt/BMP 調(diào)控走向不同命運(yùn)，支持共享前體 和 可逆終末狀態(tài)模型 。

本研究發(fā)現(xiàn)腸道的 杯狀 細(xì)胞與 潘氏 細(xì)胞并非由獨(dú)立前體決定命運(yùn)，而是源自同一種ATOH1+信號(hào)響應(yīng)型終末細(xì)胞，其表型和表觀遺傳狀態(tài)可在Wnt和BMP信號(hào)調(diào)控下可逆轉(zhuǎn)換，體現(xiàn)出極高的 微 環(huán)境依賴性和細(xì)胞可塑性 。

https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.03.005

制版人：十一

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