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科研进展

PNAS | 汤楠实验室揭示出生时淋巴管清除肺部液体的分子机制

发布时间:2023/01/04

2023年1月3日,北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院汤楠实验室在Proceedings of the National Academy of Sciences杂志在线发表了题为“c-JUN-mediated transcriptional responses in lymphatic endothelial cells are required for lung fluid clearance at birth”的研究论文。该研究发现新生小鼠的肺淋巴管内皮细胞(lymphatic endothelial cells)在出生后(postnatal day 0, P0)短暂性高表达转录因子c-JUN,并揭示了c-JUN介导的转录反应通过调控淋巴管的“吸水”功能,促进出生后肺部液体的快速清除。

哺乳动物出生时经历了从液体环境到气体环境的巨大变化。在这一过程中,积聚在肺部的液体需要被快速清除,以确保肺部的正常扩张及气体进入,从而实现气体交换。以往的研究证实,负责液体清除的肺淋巴管对出生时呼吸功能的建立不可或缺1。淋巴管作为循环系统的一部分,能够吸收组织间隙的液体并将液体运送至血液循环,维持机体的液体稳态2。淋巴管的功能异常将导致组织水肿等一系列器官功能失调3。然而,调控淋巴管功能的分子机制仍尚未可知。


通过对胚胎期不同阶段和P0天肺淋巴管内皮细胞进行单细胞转录组分析,作者发现,不同于胚胎期的淋巴管内皮细胞,P0天的淋巴管内皮细胞呈现AP-1信号通路激活,并且90%以上的淋巴管内皮细胞高表达包括Jun(c-JUN基因名)在内的多个AP-1家族转录因子。免疫荧光染色证实,在胚胎期到小鼠成年不同时期中,c-JUN仅在P0天小鼠的肺淋巴管内皮细胞中短暂性高表达(图1)。作者通过小鼠遗传学手段进一步在淋巴管内皮细胞中特异性敲除Jun,发现P0天的小鼠因不能清除肺部液体从而出现肺不张和新生致死的表型,证实了c-JUN在调节淋巴管液体清除中的重要作用。

图1

c-JUN在不同发育时期小鼠肺淋巴管内皮细胞中的表达



淋巴管内皮细胞之间可形成特殊的“纽扣型”(Button-like)细胞连接。在纽扣型连接结构中,经典的细胞连接分子呈不连续分布:有经典细胞连接分子聚集的部分被称为“Button”,Button之间淋巴管内皮细胞形成重叠,被称为“Flap”4。液体、分子和细胞可由经Flap进入淋巴管,因此淋巴管能够在不破坏细胞连接的情况下实现液体清除功能。通过透射电子显微镜等方法,作者发现Jun敲除通过影响纽扣型连接中Flap的打开,而非肺淋巴管网络建成和纽扣型连接的形成来调节淋巴管的液体清除功能。与P0天对照小鼠相比,Jun敲除小鼠中淋巴管内皮细胞 Flap的打开程度明显减小(图2)


图2

Jun在淋巴管内皮细胞中敲除后影响Flap打开



进一步,作者通过体外淋巴管内皮细胞培养,CUT&Tag及RNAi等手段揭示了c-JUN的上下游调节机制。作者证实机械压力(Mechanical pressure)增加可诱导淋巴管内皮细胞中c-JUN的表达,提示出生时肺液体积聚引起的间质压力瞬时增加是激活c-JUN表达的重要原因之一,这也与AP-1转录因子“immediate-early response”的特性不谋而合。关于c-JUN的下游, 作者发现c-JUN除可调控自身表达外,同时可调控包括非典型的钙黏着蛋白CDH13和AP-1家族转录因子ATF3在内的分子网络,实现对细胞骨架重塑的精准调控,进而促进肺淋巴管内皮细胞Flap的打开和淋巴管的液体清除(图3)


图3

c-JUN介导的转录反应调控淋巴管液体清除的模式图



综上,该研究揭示了淋巴管内皮细胞中c-JUN 介导的转录反应对于从出生前到出生后转变过程中肺呼吸功能的建立至关重要。该发现极大地扩展了我们对淋巴管清除功能分子机制的理解。同时,该发现也为将来在生理和病理过程中靶向淋巴管功能的应用提供了理论基础。


北京生命科学研究所汤楠实验室的博士研究生付思玲和王燕晓博士为本文的共同第一作者。其他作者还包括汤楠实验室的宾恩楠、核酸测序中心的黄焕伟、转基因动物中心的王凤超博士。汤楠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和北京市政府共同资助。



参考文献

 /references/

1.Jakus, Z. et al. Lymphatic function is required prenatally for lung inflation at birth. J. Exp. Med. 211, 815–826 (2014).


2.Oliver, G., Kipnis, J., Randolph, G. J. & Harvey, N. L. The Lymphatic Vasculature in the 21st Century: Novel Functional Roles in Homeostasis and Disease. Cell 182, 270–296 (2020).


3.Warren, A. G., Brorson, H., Borud, L. J. & Slavin, S. A. Lymphedema. Ann. Plast. Surg. 59, 464–472 (2007).


4.Baluk, P. et al. Functionally specialized junctions between endothelial cells of lymphatic vessels. J. Exp. Med. 204, 2349–2362 (2007).



论文链接

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2215449120