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科研进展

干细胞的命运抉择:决定就在一瞬间

发布时间:2018/01/16

成体干细胞通常具有多能性,即能够产生多种不同的子细胞,但潜在的命运决定机制尚不清楚。这项研究发现,在果蝇的肠上皮干细胞中,一个转录因子的瞬时表达,决定了干细胞所产生的子细胞类型。


2018115日,袭荣文实验室在《Nature Cell Biology》杂志在线发表了题为“Transient Scute activation via a self-stimulatory loop directs enteroendocrine cell pair specification from self-renewing intestinal stem cells”的研究论文。该论文发现转录因子Scute 在果蝇肠上皮干细胞中的瞬时表达决定了干细胞将产生内分泌类型的子细胞,提示转录因子的振荡表达调控了干细胞的命运抉择。

细胞的命运决定是发育生物学和干细胞领域的关键问题之一。果蝇的肠上皮干细胞(Intestinal stem cell,简称ISC)是一个研究多能干细胞命运决定的一个相对简单的模型。ISC默认的子细胞命运是具有营养吸收功能的肠上皮细胞(EnterocyteEC),而另一类具有分泌功能的内分泌细胞(Enteroendocrine cell,简称EE)的命运是如何决定的尚不清楚。之前的研究证明了果蝇复合基因Acheate-scute complex (As-c) EE分化过程中的作用,其中的一个基因 scute (sc) 也被证明对EE命运决定即是充分也是必要的。 然而Sc是如何被调控的及它是如何促进ISCEE命运决定的,尚不清楚。基于Sc对于EE产生的必要性,研究人员利用RNAi从果蝇虫蛹阶段开始抑制Sc的表达,由此产生了无内分泌细胞的肠上皮,然后再恢复Sc的表达来观察EE从头开始产生的过程。利用这个分析,他们观察到一个ISC先是分裂产生一个EE前体细胞,命名为EEP,而这个EEP则再分裂产生一对EE细胞。为进一步分析这个过程,研究人员在ISC中过表达Sc,然后监测一段时间内的细胞演变过程。短暂地过表达Sc迅速引起细胞分裂的反应,同时还诱导了EE特异的转录因子 Pros的表达,而Pros却是一个很强的细胞分裂抑制因子。这些特性构成了一个精细调节的环路,指导一对EE细胞经过两次有序的细胞分裂从一个ISC特化而来:ISC先经过一次不对称分裂产生一个EEPEEP在终末分化前再发生一次细胞分裂,最终形成一对EE细胞。

为了观察Sc在肠上皮的表达模式,研究人员利用CRISPR-Cas9技术构建了一个Sc基因带GFP的敲入品系。 Sc-GFP融合蛋白在大部分的ISC中呈现极弱的表达,但在一小部分(约15%)的ISC中有明显的上调和激活。通过进一步鉴定出Sc基因表达调控区域,并利用调控区域Sc-gal4进行的细胞命运追踪实验证明Sc高表达的ISC立即产生的子细胞基本都是EE,而Sc会迅速在ISC中下调,这些ISC因此很快就恢复向肠上皮细胞EC命运分化的默认模式。这些研究结果提示ScISC中的瞬时表达导致了EE命运的决定。Sc的瞬时表达是如何实现呢? 结合遗传实验,RNA-seq 分析,ChIP-seqtargeted DamID 分析,研究人员发现了两个反馈调节环路介导了ScISCEE分化之前的瞬时表达: 一个是Sc基因转录水平的自激活,使得Sc在细胞内逐渐积累直到表达量足以引起EE命运决定的发生;另一个是Sc enhancer of split complex (E(spl)) 基因间的负向反馈调节环路,在Sc到达高水平时,被诱导出的E(spl)蛋白会迅速抑制Sc的表达使其还原到默认的低表达模式。

由于反馈调节是介导生化分子周期性震荡的常见机制,比如刚刚获得诺奖的生物节律的调节等。因此这些反馈调控环路可能介导了ScISC中周期性的上调,作为生物钟介导周期性的EE的产生。进一步的细胞和分子水平的分析结合活体成像技术应该能帮助验证这个干细胞命运决定的生物钟调节学说,并探究转录因子的震荡是否以及如何受环境因素的调控。

北京生命科学研究所与北京协和医学院联合培养的博士生陈君为本论文第一作者;其他作者还有袭荣文实验室的徐娜、王晨辉、黄品、金真,NIBS核酸测序中心的黄焕伟、蔡涛博士,及中科院生物物理所的于忠胜和焦仁杰博士。袭荣文博士为本论文通讯作者。该研究由科技部国家重点研发计划、973项目、基金委青年项目及北京市政府资助,在北京生命科学研究所完成。