Nature | 單細胞測序發現一類新的腸道乾細胞

撰文 | 阿童木

責編 | 兮

小腸上皮是形成小腸內膜的細胞層，由隱窩和絨毛兩部分組成，是哺乳動物體內更新速度最快、最具活力的組織之一【1】。由於其快速的自我更新能力和簡單的生理結構，目前已經成為哺乳動物成體乾細胞研究的模式系統【2】。

（leu-rich-repeat-containing G-proteincoupled receptor 5 隱窩基部柱狀細胞（crypt-base columnar cells, CBCs）驅動。CBCs在受到異塵餘生等損傷刺激後會發生丟失，此時另一類處於靜止狀態的『+4』位細胞，即 儲備乾細胞（reserve stem cells, RSCs）會激活並促進損傷小腸的再生 【3】。早期研究認為CBCs和RSCs是互斥的，後續研究發現LGR5+ CBCs會表達RSCs標記物，LGR5+細胞對於損傷小腸的修復是必需的，而RSCs在此過程中並非不可或缺 【4】。此外，吸收性腸細胞、分泌細胞和慢循環LGR5+細胞以及YAP1等轉錄因子均在小腸再生過程中發揮了重要作用。

2019年4月25日，加拿大西奈山醫院的Alex Gregorieff和Jeffrey L. Wrana領導的團隊在 Nature 上發文Single-cell transcriptomes of the regenerating intestine reveal a revival stem cell，發現了一類獨特的乾細胞，其會在小腸受損傷後激活以維持乾細胞池穩態並促進小腸上皮再生。

為揭示小腸上皮再生的內在機理，作者將小鼠暴露於12Gy異塵餘生，三天后對小腸上皮細胞進行單細胞轉錄組測序 （圖1a）。異塵餘生刺激後，90%的LGR5⁺CBCs丟失，lgr5^high細胞完全檢測不到，潘氏細胞（Paneth cells, PCs）和杯狀細胞均受到抑製，而簇狀細胞和隱窩相關免疫細胞數量增加。腸內分泌細胞（enterocytes, ECs）受異塵餘生刺激後不僅數量增加，表型和定位也發生了改變，小腸再生過程中ECs會向後期分化狀態轉移，並伴隨著其親本LGR5⁺CBCs的丟失。

圖1 異塵餘生刺激會在小腸上皮誘導產生一類獨特的細胞類型

乾細胞動力學分析顯示，CBC信號位於富集的隱窩中，並被映射到第17簇（singly profiled stem cell cluster 1, SSC1）；+4位和/或RSC標記物Bmi1和Hopx在多個簇中表達；而標記物Lrig1在少數分散細胞中表達量較高，在SSC1中表達水準較低。與這些單一標記物不同，第18簇（SSC2）幾乎完全由受異塵餘生的隱窩細胞組成，並能通過一些參與炎症反應、DNA損傷反應和細胞存活相關基因的表達來區分 （圖1b）。進一步分析SSC2的組成結構發現其包括3個不同的細胞群，即SSC2a、SSC2b和SSC2c （圖1c）。SSC2a具有明顯的SSC1特徵並與CBCs有關，SSC2b核糖體基因表達較高，SSC2c是一個靜止的細胞群，表達標記物Clu、Anxa1、Cxadr和Basp1等 （圖1d）。作者隨後構建了BAC-Clu-GFP轉基因小鼠以標記內源性Clu⁺細胞，結合免疫組化和流式細胞檢測，證明CLU⁺SSC2c細胞在正常生理狀態下數量稀少，是一種受腸道損傷誘導的獨特的靜止隱窩細胞，且具有YAP-1依賴性。在腸道乾細胞更新穩態維持過程中，CLU⁺⁺CBCs和分化的子代細胞。異塵餘生刺激後，CLU⁺SSC2c能促進LGR5⁺作者構建了小腸上皮revSC缺陷型Cluless小鼠模型，異塵餘生處理後Cluless小腸上皮細胞增殖受阻，小腸隱窩數量和長度降低，結腸縮短，這與YAP1敲除導致的再生缺陷類似。右旋糖酐硫酸鈉（dextran sodium sulfate, DSS）處理會誘導小鼠腸道損傷，誘發小鼠產生腸炎，體重降低【5】。野生型小鼠DSS處理後，體重減輕等癥狀經治療可逐漸恢復，而Cluless小鼠體重會持續減輕並很快死亡。未經處理的Cluless小鼠小腸與野生型相似，而DSS處理會導致隱窩數量和長度降低，上皮層破壞，還會特異性導致小腸絨毛脫落。⁺revSCs的子代細胞是腸上皮再生的主要貢獻者。

綜上所述，本研究發現了一類新的小腸乾細胞——revSCs，revSCs是一種緩慢循環的細胞類型，受YAP1信號調控後出現在受損的腸道中，以重建LGR5⁺CBCs乾細胞池，促進腸道再生。 因此，損傷引起的revSCs擴增可能是小腸損傷修復的關鍵機制。

原文鏈接：

製版人：珂

參考文獻

1. Barker, N., van de Wetering, M., & Clevers, H. (2008). The intestinal stem cell. Genes & development, 22(14), 1856-1864.

2. 亓振, & 陳曄光. (2014). 小腸乾細胞的命運調控. 中國科學: 生命科學, 44(10): 975–984.

3. Takeda, N., Jain, R., LeBoeuf, M. R., Wang, Q., Lu, M. M., & Epstein, J. A. (2011). Interconversion between intestinal stem cell populations in distinct niches. Science, 334(6061), 1420-1424.

4. Metcalfe, C., Kljavin, N. M., Ybarra, R., & de Sauvage, F. J. (2014). Lgr5+ stem cells are indispensable for radiation-induced intestinal regeneration. Cell stem cell, 14(2), 149-159.

5. Oh, S. Y., Cho, K. A., Kang, J. L., Kim, K. H., & Woo, S. Y. (2014). Comparison of experimental mouse models of inflammatory bowel disease. International journal of molecular medicine, 33(2), 333-340.

BioArt，一心關注生命科學，只為分享更多有種、有趣、有料的信息。關注投稿、合作、轉載授權事宜請聯繫微信ID：bioartbusiness 或郵箱：[email protected]。原創內容，未經授權，禁止轉載到其它平台。