解码细胞命运确定干细胞转换的关键机制

干细胞可以分化以取代死亡和受损的细胞。但是干细胞如何决定在特定情况下变成哪种类型的细胞呢?利用肠道类器官，IMBA 和基础科学研究所的 Bon-Kyoung Koo 团队发现了一个新基因 Daam1，它在开启肠道分泌细胞的发育方面发挥着重要作用。这一发现发表在 11 月 24 日的《科学进展》杂志上，为癌症研究开辟了新的视角。

在某些方面，我们的身体就像汽车一样——为了保持运转，它们需要定期检查和修理。就我们的身体而言，任何受损或死亡的细胞都需要更换以保持器官功能。这种替代的发生要归功于组织驻留的成体干细胞。与可以形成体内任何细胞类型的胚胎干细胞相反，成体干细胞只能形成其所属组织中存在的细胞类型。但是组织特异性干细胞如何知道要产生哪种细胞类型呢?Gabriele Colozza 是 IMBA 的 Bon-Kyoung Koo 实验室的博士后研究员，现任韩国基础科学研究所基因组工程中心主任，决定利用肠道干细胞来研究这个问题。

肠道——一个不断施工的工地

“在我们的肠道中，细胞暴露在极端条件下”，Colozza 解释道。机械磨损、消化酶和不同的 pH 值都会影响肠道细胞。反过来，肠粘膜中的干细胞分化形成新的肠细胞。“受损的细胞必须被替换，但干细胞更新和分化成其他细胞类型之间存在微妙的平衡：不受控制的干细胞增殖可能导致肿瘤形成;另一方面，如果过多的干细胞分化，组织就会耗尽干细胞，最终无法自我更新。”

这种平衡通过信号通路和反馈回路进行微妙的调节，从而使细胞能够相互通信。一条重要的途径称为 Wnt。Wnt 通路以其在胚胎发育中的作用而闻名，如果不加以控制，过度活跃的 Wnt 通路会导致细胞过度分裂和肿瘤的形成。

确定分子伙伴

Rnf43 是一种著名的 Wnt 信号传导拮抗剂(控制 Wnt)，最初由 Bon-Kyoung Koo 发现。在这项研究之前，已知 Rnf43 会靶向 Wnt 受体 Frizzled 并标记其降解。“我们想知道 Rnf43 是如何工作的，以及是什么反过来控制 Rnf43 并帮助它调节 Wnt 信号传导。” 从早期的研究中，科学家们知道 Rnf43 本身不足以分解位于质膜中的 Wnt 受体 Frizzled。“在我们的项目中，我们使用生化检测来识别哪些蛋白质与 Rnf43 相互作用。” 结果证明，Rnf43 的一个关键伙伴是蛋白质 Daam1。

为了了解 Daam1 如何调节 Rnf43 并影响其作用的组织，Colozza 转向了肠道类器官。“我们发现 Daam1 是 Rnf43 激活所必需的，因此 Rnf43 能够调节 Wnt 信号传导。进一步的细胞研究表明，Rnf43 需要 Daam1 将 Wnt 受体 Frizzled 移动到称为内体的囊泡中。从内体，Frizzled 被运送到溶酶体，在那里它被降解，抑制 Wnt 信号传导”，Colozza 补充道。

肠类器官是由成体肠干细胞生长的三维细胞培养物，使研究人员能够模拟肠粘膜。对于 Colozza 来说，类器官是了解 Rnf43 和 Daam1 如何影响肠道干细胞更新和分化的微妙平衡的机会。“我们发现，当我们敲除 Rnf43 或 Daam1 时，类器官会生长成肿瘤样结构。即使我们撤回它们通常依赖的生长因子，例如 R-spondin，这些肿瘤样类器官仍会继续生长。”

开启潘氏细胞形成

当 Colozza 在小鼠组织中追踪这一结果时，研究人员感到惊讶。“当 Rnf43 缺失时，肠道就会长出肿瘤——正如预期的那样。但当 Daam1 缺失时，肿瘤就不再生长。我们对这种显着的差异感到困惑：同一通路中的因子丢失，在类器官中表现相似，怎么会导致如此不同的结果呢?”

仔细观察肠道，Colozza 发现缺乏 Rnf43 的肠道充满了一种特定类型的分泌细胞，即潘氏细胞。另一方面，缺乏 Daam1 的肠道不含有额外的潘氏细胞。潘氏细胞分泌生长因子，如 Wnt，刺激细胞分裂。“Daam1 是潘氏细胞有效形成所必需的。当 Daam1 激活时，干细胞分化形成潘氏细胞。当 Daam1 不活跃时，干细胞会分化成另一种细胞类型。”

肿瘤改变其生态位以生长

分子结果与潘氏细胞之间的这种联系解释了肠道和类器官之间令人费解的差异。“在类器官培养中，我们科学家提供生长因子，因此敲除 Rnf43 和 Daam1 会产生肿瘤样类器官。但在肠道中，不乏科学家提供生长因子。相反，潘氏细胞提供生长因子，如 Wnt，并为干细胞的生存和分裂创造合适的条件。当潘氏细胞缺乏时——例如当 Daam1 不活跃以驱动细胞成为潘氏细胞时——干细胞不会分裂太多。但当潘氏细胞过多时——例如在缺乏 Rnf43 的肠道中——过多的生长因子可能会导致肿瘤的形成。”

Colozza 及其同事的研究首次证明 Daam1(非经典 Wnt 通路的成员)对于特定潘氏细胞非常重要，并直接参与这一关键分泌细胞的发育。研究结果还揭示了干细胞生态位的重要性。“我们证明肿瘤细胞会改变它们的微环境，并影响它们的支持环境，以便它们能够更好地生长。”