襲榮文組報道關鍵轉錄因子調控幹細胞命運抉擇

成體幹細胞通常具有多能性，即能夠產生多種不同的子細胞，但潛在的命運決定機制尚不清楚。然而最新的研究發現，在果蠅的腸上皮幹細胞中，一個轉錄因子的瞬時表達，決定了幹細胞所產生的子細胞類型。

本文轉載自「BioArt」。

1月15日，NIBS襲榮文實驗室在Nature Cell Biology雜誌在線發表了題為「Transient Scute activation via a self-stimulatory loop directs enteroendocrine cell pair specification from self-renewing intestinal stem cells」的研究論文。該論文發現轉錄因子Scute 在果蠅腸上皮幹細胞中的瞬時表達決定了幹細胞將產生內分泌類型的子細胞，提示轉錄因子的振蕩表達調控了幹細胞的命運抉擇。

細胞的命運決定是發育生物學和幹細胞領域的關鍵問題之一。果蠅的腸上皮幹細胞（Intestinal stem cell，簡稱ISC）是一個研究多能幹細胞命運決定的一個相對簡單的模型。ISC默認的子細胞命運是具有營養吸收功能的腸上皮細胞（Enterocyte，EC），而另一類具有分泌功能的內分泌細胞（Enteroendocrine cell，簡稱EE）的命運是如何決定的尚不清楚。

之前的研究證明了果蠅複合基因Acheate-scute complex (AS-C) 在EE分化過程中的作用，其中的一個基因 scute (sc) 也被證明對EE命運決定即是充分也是必要的。 然而Sc是如何被調控的及它是如何促進ISC向EE命運決定的，尚不清楚。2015年，襲榮文實驗室在 Development雜誌上曾以封面論文形式報道了果蠅腸上皮幹細胞分化過程中的命運抉擇機制，發現轉錄抑制因子Ttk69是控制幹細胞向腸內分泌細胞分化的關鍵抑制因子，能夠抑制AS-C基因的表達【1】，為進一步理解腸上皮幹細胞分化時的命運抉擇機制及細胞可塑性的分子基礎奠定了基礎。

基於Sc對於EE產生的必要性，研究人員利用RNAi從果蠅蟲蛹階段開始抑制Sc的表達，由此產生了無內分泌細胞的腸上皮，然後再恢復Sc的表達來觀察EE從頭開始產生的過程。利用這個分析，他們觀察到一個ISC先是分裂產生一個EE前體細胞，命名為EEP，而這個EEP則再分裂產生一對EE細胞。為進一步分析這個過程，研究人員在ISC中過表達Sc，然後監測一段時間內的細胞演變過程。短暫地過表達Sc迅速引起細胞分裂的反應，同時還誘導了EE特異的轉錄因子 Pros的表達，而Pros卻是一個很強的細胞分裂抑制因子【2】。這些特性構成了一個精細調節的環路，指導一對EE細胞經過兩次有序的細胞分裂從一個ISC特化而來：ISC先經過一次不對稱分裂產生一個EEP，EEP在終末分化前再發生一次細胞分裂，最終形成一對EE細胞。

為了觀察Sc在腸上皮的表達模式，研究人員利用CRISPR-Cas9技術構建了一個Sc基因帶GFP的敲入品系。 Sc-GFP融合蛋白在大部分的ISC中呈現極弱的表達，但在一小部分（約15%）的ISC中有明顯的上調和激活。通過進一步鑒定出Sc基因表達調控區域，並利用調控區域Sc-gal4進行的細胞命運追蹤實驗證明Sc高表達的ISC立即產生的子細胞基本都是EE，而Sc會迅速在ISC中下調，這些ISC因此很快就恢復向腸上皮細胞EC命運分化的默認模式。

這些研究結果提示Sc在ISC中的瞬時表達導致了EE命運的決定。Sc的瞬時表達是如何實現呢？ 結合遺傳實驗，RNA-seq 分析，ChIP-seq和targeted DamID 分析，研究人員發現了兩個反饋調節環路介導了Sc在ISC向EE分化之前的瞬時表達: 一個是Sc基因轉錄水平的自激活，使得Sc在細胞內逐漸積累直到表達量足以引起EE命運決定的發生；另一個是Sc和 enhancer of split complex (E(spl)) 基因間的負向反饋調節環路，在Sc到達高水平時，被誘導出的E(spl)蛋白會迅速抑制Sc的表達使其還原到默認的低表達模式。

果蠅腸上皮幹細胞的命運抉擇機制模式圖

由於反饋調節是介導生化分子周期性震蕩的常見機制，比如剛剛獲得諾獎的生物節律的調節等。因此這些反饋調控環路可能介導了Sc在ISC中周期性的上調，作為「生物鐘」介導周期性的EE的產生。進一步的細胞和分子水平的分析結合活體成像技術應該能幫助驗證這個幹細胞命運決定的生物鐘調節學說，並探究轉錄因子的震蕩是否以及如何受環境因素的調控。

據悉，NIBS與北京協和醫學院聯合培養的博士生陳君為本論文第一作者，襲榮文博士為本論文通訊作者。

襲榮文實驗室長期從事細胞命運決定相關研究，不久前該實驗室在Stem Cell Reports雜誌發表論文，發現了在果蠅腸道幹細胞向腸內分泌細胞分化的過程中，存在一種通過連接蛋白Phyllopod （Phyl）介導的正反饋調控機制，這一機制使得轉錄因子Pros不斷在前體細胞中積累，從而驅動了EE細胞的分化與成熟【3】。

註：上述文字主要來源於NIBS官網！

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參考資料：1）Wang, C., Guo, X., Dou, K., Chen, H. & Xi, R. Ttk69 acts as a master repressor of enteroendocrine cell specification in Drosophila intestinal stem cell lineages. Development 142, 3321–3331 (2015).

2）Biteau, B. & Jasper, H. Slit/Robo signaling regulates cell fate decisions in the intestinal stem cell lineage of Drosophila. Cell. Rep. 7, 1867–1875 (2014).

3）Yin, C., & Xi, R. (2017). A Phyllopod-Mediated Feedback Loop Promotes Intestinal Stem Cell Enteroendocrine Commitment in Drosophila. Stem cell reports.

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