当前位置:首页 / 新闻动态 / 科研进展 / 正文

科研进展

Nature Communications丨袭荣文实验室解析肠内分泌细胞多样性编码机理

发布时间:2022/11/15

2022年10月31日,北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院袭荣文实验室在《Nature Communications》杂志发表题为“A hierarchical transcription factor cascade regulates enteroendocrine cell diversity and plasticity in Drosophila”的文章,揭示了决定果蝇肠内分泌细胞多样性的转录因子组合的级联调控模式和编码机理,同时发现成熟肠内分泌细胞仍具可塑性,通过改变单一转录因子的表达就可以实现肠内分泌细胞亚型之间的命运转换。


细胞的多样性是多细胞生物的基本特征,也是发育生物学中的重要命题之一。除了细胞类型的多样化,同一类型细胞多种亚型的存在更是丰富了细胞多样性。经典的代表包括B、T淋巴细胞通过V(D)J重排原理实现淋巴细胞的多样化;嗅觉神经元通过染色质的3D调控使得每一个神经元只表达一个不同的、经过独特剪接而形成的嗅觉受体;而神经系统中的很多神经元通过不同时空表达的转录因子及其组合决定了神经元的多样化。肠内分泌细胞(Enteroendocrine Cell,EE)散在分布于消化道的上皮中,在哺乳动物和果蝇中均有至少10种亚型。它们通过感知外界信号刺激,分泌多种神经肽和神经递质,调节肠道蠕动、消化吸收、食欲、糖脂代谢等多种重要的生理过程。近期一系列结合了单细胞组学的技术的研究,有力地促进了对EE各亚型神经肽表达特征的认识及相关转录因子的发现,然而决定EE细胞多样性的分子遗传原理仍不清楚。


北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院袭荣文实验室长期利用果蝇模型研究研究肠道干细胞的调节和EE细胞的分化机制,先后发现从肠道干细胞到EE分化过程中的关键调控因子(Wang, et al., Development, 2015)、分化时的命运决择机制 (Chen et al., Nature Cell Biology, 2018) 及命运执行机制(Yin and Xi, Stem Cell Reports, 2018);发现EE命运抑制因子的突变可导致肠道干细胞转分化为神经干细胞样细胞,从而导致肠道神经内分泌肿瘤的发生(Li et al., Cell Reports, 2020);实验室近期通过单细胞技术和遗传实验,完成了对果蝇EE的所有亚型的分类及其空间分布特征、神经肽表达特征及各亚型命运决定的转录因子等方面的鉴定(图1)(Guo et al., Cell Reports, 2019)

(图1)

EE亚型分类、空间分布特征及其命运决定的转录因子 (Guo et al., 2019)



前期EE亚型的鉴定工作,为进一步理解EE命运调控相关的转录因子之间的调控关系、组合模式和原则奠定了基础。在本项研究中,研究人员综合运用遗传学、转录组学以及转录因子的染色质靶点分析,最终发现参与EE亚型建立的转录因子形成了一种含有三个层次的层级调控模式。


首先,蛋白序列中含有同源异形域(homeodomain)的转录因子Pros (Prospero)位于最高调控层级(10level)。Pros的功能是激活和维持EE几乎所有的特征性基因(图2),包括EE亚型相关转录因子(20level30level)的表达,因而Pros是决定EE 细胞身份和功能的关键基因,或称EE选择者基因(Selector gene)。在EE中瞬时去除Pros后,EE将很快丧失神经肽的表达及所有其它EE特征基因的表达。而在吸收型的肠细胞中过表达Pros可以使肠细胞获得EE的一些特征,如神经肽的产生。因此,Pros作为EE的选择者基因具有功能上的必要性和充分性。

(图2)

Pros去除导致EE特征基因普遍下调



在第二个调控层级上(20level)有两个关键的转录因子Ptx1和Mirr,它们均受Pros的直接转录调控,并分别与Pros一起作用于靶基因的增强子调控区,介导Class I(AstC+)以及Class II(Tk+)两种主要EE类型的分化。而在Ptx1和Mirr两者之间的选择依赖于EE分化早期时Notch的活性。在没有Notch活性时Mirr不能表达,从而选择Ptx1和I 型的分化命运。因此,I型EE是EE分化时的默认命运,而Notch 活性通过调控mirr的表达主导了II型EE的分化。有趣的是,在II 型EE中去除mirr会使细胞转分化为I 型,而在I型EE中过表达mirr会使I型EE转分化为II 型EE。因此,分化成熟的EE 仍具有在I和II型间相互转换的可塑性(图3)

(图3)

I型和II型EE细胞命运可以通过调控mirr表达相互转换



I型和II型EE这两大类中分别包含多个亚型,这些亚型是由多个第三层级(30level)的转录因子的加入而进一步确立的。也就是说,它们与第一层级的Pros和第二层级的Mirr、Ptx1一起作用于靶基因的调控区域,从而确定了I型和II型EE中所包含的各亚型的分化。第三层级转录因子的表达也通常直接受Pros的转录调控,但在功能上第三层级的转录因子依赖于第一和第二层级的转录因子: 它们必须在第一和第二层级的转录因子同时存在的情况下才能调控靶基因的表达。第三层级的转录因子的表达与否还要依赖区域特性或环境信号,从而导致了各EE亚型的区域多样性。以第三个层级的转录因子Fer1为例,它是表达CCHa1神经肽EE亚型分化的关键基因,Fer1的过表达可以使没有CCHa1+ EE的肠道区段产生CCHa1+ EE亚型,提示分化成熟的各EE亚型之间也具有相互转换的可塑性。


(图4)

EE多样性的编码和调控原理



因此,本项研究揭示了一个具有调控层级和功能层级关系的转录因子组合,编码了果蝇肠内分泌细胞的多样性(图4)。Pros是唯一的第一层级的转录因子;第二层级的转录因子至少有2个;而第三层级的转录因子有12个以上。因此,这三部分的自由组合在理论上可以产生至少24种EE亚型,也使任何一种EE亚型具有动态的神经肽的表达类型和模式的可能性。


果蝇EE多样性机理的解析将有助于进一步对哺乳动物和人类EE 多样性的理解。目前临床上通过调控EE所释放的神经肽,可以实现对一些代谢性疾病的有效治疗。其中,基于GIP受体和GLP-1类似物研发的司美格鲁肽等已获FDA批准成为肥胖治疗的一线药物;特异性抑制肠嗜铬细胞(一种EE亚型)产生的外周5-HT,也在治疗炎症性肠病、骨质疏松等方面展示出一定的应用潜力。对果蝇EE可塑性编码机理的解析也为EE的再生医学 — 比如为通过EE亚型的转分化方法调控神经肽或神经递质的表达来干预疾病提供了理论指导和实验依据。


本研究的第一作者是北京生命科学研究所袭荣文实验室的郭兴庭博士。其他作者还包括袭荣文实验室的张永超、核酸测序中心的黄焕伟。袭荣文博士是本研究的通讯作者。该研究由科技部、国家自然科学基金委、北京市政府和清华大学共同资助。



论文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-022-34270-0