腸上皮是粘膜層的一部分，包含多種細胞類型，包括成熟分泌細胞、成熟吸收細胞、祖細胞/轉運擴增細胞和干細胞。腸道干細胞(ISC)負責整個生命過程中持續(xù)的上皮再生。腸上皮中的干細胞到子細胞的轉變被認為是一個高度動態(tài)和可塑性的過程。干細胞維持和分化為不同譜系是由周圍的微環(huán)境控制，包括細胞和細胞外基質(zhì)生態(tài)位。此外，在分子水平上，多種信號通路共同協(xié)調(diào)細胞間通訊以實現(xiàn)腸道的組織穩(wěn)態(tài)，而這些級聯(lián)反應的失調(diào)通常與腸道疾病有關。因此，深入了解ISC和ISC生態(tài)位可能有助于對腸道疾病機制和干細胞再生的理解。

1. 腸道菌群通過生態(tài)位腸道血清素能神經(jīng)元驅(qū)動巨噬細胞依賴性ISC自我更新

Lgr5⁺ ISC位于隱窩底部的特殊生態(tài)位內(nèi)，具有自我更新和分化能力。中國科學院生物物理研究所感染與免疫重點實驗室Zusen Fan團隊表明ISC由微生物群和生態(tài)位腸道血清素能神經(jīng)元調(diào)節(jié)^[1]。腸道菌群代謝物戊酸通過阻斷NuRD復合體募集到Tph2啟動子上，促進Tph2在腸道血清素能神經(jīng)元中的表達。血清素反過來通過其受體HTR2A/3A激活PGE2⁺巨噬細胞亞群中PGE2的產(chǎn)生；PGE2通過與其受體EP1/EP4結合，促進ISC中的Wnt/β-catenin信號傳導，從而促進其自我更新(圖1)。這一研究結果說明了微生物群、腸道神經(jīng)細胞、腸道免疫細胞和ISC之間的復雜串擾，揭示了生態(tài)位細胞和微生物群對ISC的新一層調(diào)控。

                                                                                                              圖1 PGE2驅(qū)動Wnt信號激活維持ISC的干性

2. 逆行運動決定腸道中的有效干細胞數(shù)量

腸道上皮內(nèi)膜的形態(tài)和功能不同，但所有部位的組織更新都是由隱窩基部的干細胞驅(qū)動的。荷蘭癌癥研究所分子病理學Jacco van Rheenen團隊觀察到小鼠小腸隱窩含有的有效干細胞是大腸隱窩的兩倍^[2]。他們發(fā)現(xiàn)遠離隱窩基部的小腸細胞由于Wnt依賴的逆行細胞運動可以作為長期有效的干細胞(圖2)。相比之下，大腸中幾乎沒有逆行運動限制了細胞重新定位，導致有效干細胞數(shù)量減少。此外，抑制小腸逆行運動后，有效干細胞數(shù)量減少，隱窩單克隆轉化率加快。這些結果表明，有效干細胞的數(shù)量是由主動逆行運動決定的，揭示了一種新的干細胞調(diào)節(jié)通道。

                                                                                                                            圖2 Wnt信號促進LGR5⁺細胞遷移

3. 通過腸干細胞分化的類器官模型篩選腸上皮細胞組成的調(diào)節(jié)劑

上皮屏障的細胞組成對機體內(nèi)穩(wěn)態(tài)至關重要。然而，缺乏用于識別調(diào)節(jié)上皮組成和功能的生物靶標以及小分子的方法。美國哈佛-麻省理工學院健康科學與技術項目Alex K. Shalek團隊展示了腸道干細胞分化的生物靶點和小分子調(diào)節(jié)劑可以通過使用數(shù)千個腸道干細胞分化成潘氏細胞的微型類器官模型進行多重表型篩選來鑒定，并通過縱向單細胞RNA測序進行驗證^[3]。通過該類器官模型，他們發(fā)現(xiàn)核輸出蛋白1(XPO1)的抑制劑調(diào)節(jié)腸道干細胞的命運，顯著增加類器官和野生型小鼠中潘氏細胞的豐度(圖3)。這項研究提供了一個框架來構建譜系特異性分化的類器官模型，該模型可以揭示調(diào)節(jié)分化的途徑以及控制屏障組織組成的化合物。

                                                                                                                            圖3 XPO1抑制劑增強潘氏細胞分化

4. 淋巴管作為調(diào)節(jié)腸道干細胞活性的信號樞紐

小腸和大腸的上皮干細胞對其局部微環(huán)境作出反應，以滿足對組織更新的持續(xù)需求。美國洛克菲勒大學哺乳動物細胞生物學與發(fā)育實驗室Elaine Fuchs團隊報告腸隱窩底部的淋巴管作為一般隱窩特別是ISC的信號樞紐發(fā)揮作用(圖4)^[4]。類器官共培養(yǎng)研究表明，淋巴衍生的配體直接作用于ISC并保持其自我更新能力和適應性，同時抑制分化。此外，他們發(fā)現(xiàn)Wnt信號因子(WNT2, R-SPONDIN-3)和一種迄今未被重視的細胞外基質(zhì)蛋白REELIN是直接控制ISC再生潛力的隱窩淋巴信號。由于淋巴管可以發(fā)揮的作用的多樣性，它們與ISC的關聯(lián)可能會對疾病狀態(tài)產(chǎn)生重要影響。因此，這一發(fā)現(xiàn)可能促進對腸道炎癥性和代謝障礙疾病的理解。

                                                                                                                           圖4 淋巴管作為調(diào)節(jié)腸道干細胞活性的信號樞紐

參考文獻

[1]Zhu P, Lu T, Wu J, et al. Gut microbiota drives macrophage-dependent self-renewal of intestinal stem cells via niche enteric serotonergic neurons. Cell Res. 2022;32(6):555-569. (IF=46.297)

[2]Azkanaz M, Corominas-Murtra B, Ellenbroek SIJ, et al. Retrograde movements determine effective stem cell numbers in the intestine. Nature. 2022;607(7919):548-554. (IF=69.504)

[3]Mead BE, Hattori K, Levy L, et al. Screening for modulators of the cellular composition of gut epithelia via organoid models of intestinal stem cell differentiation. Nat Biomed Eng. 2022;6(4):476-494. (IF=29.234)

[4]Niec RE, Chu T, Schernthanner M, et al. Lymphatics act as a signaling hub to regulate intestinal stem cell activity. Cell Stem Cell. 2022;29(7):1067-1082.e18. (IF=25.269)

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