NIBS湯楠組同期兩篇Dev Cell，封面論文報道肺泡發育過程及其調控機制

2月5日，最新一期出版的Developmental cell雜誌刊登了來自北京生命科學研究所（NIBS）湯楠課題組的兩篇關於肺泡發育以及氣管形態發生的兩篇研究論文，其中題為「The strength of mechanical forces determines the differentiation of alveolar epithelial cells」的論文入選封面論文（下圖），首次闡述了肺泡發育過程及調控肺泡祖細胞分化的關鍵因素。

圖為中國風的蓮藕代表肺泡祖細胞，荷葉代表扁平的肺泡一型細胞，荷花代表立方體的肺泡二型細胞。封面由石孟利製作。

同期兩篇研究論文截圖

肺泡對於肺器官的氣體交換功能至關重要。湯楠實驗室研究集中在利用小鼠肺臟作為模型，運用小鼠遺傳學，細胞生物學和三維動態成像等多種方法探索肺泡形態發生和肺泡上皮細胞命運決定過程中複雜的調控機制，相關研究能夠顯著增強我們對呼吸系統疾病和人類新生兒先天性呼吸系統缺陷的認識，並且為成體肺損傷後再生過程提供參考。

肺是人體進行氣體交換的場所，其基本結構單元——肺泡是由扁平的肺泡一型細胞（alveolar type I cells, AT1）和立方體狀的肺泡二型細胞（alveolar type II cells, AT2）組成的囊泡狀結構。因此，正常的肺泡發育和肺泡祖細胞的分化對於人的生存和生活具有至關重要的作用。任何對肺泡發育的干擾都會導致嚴重的肺部疾病甚至新生兒出生致死【1】。雖然通過解剖學和轉基因小鼠的研究，人們發現了一些調控肺泡發育的相關基因，但是目前對於肺泡的正常發育過程及其決定肺泡祖細胞分化的相關機制仍然知之甚少。

在胚胎髮育後期，囊泡狀的肺泡開始在樹枝狀的終末氣管末端形成。與此同時，肺泡祖細胞分化成肺泡一型細胞和肺泡二型細胞。由於肺泡發育過程即存在著明顯囊泡形態的發生，又有細胞命運的改變，因此湯楠實驗室的研究者運用實時動態成像的方法來直接觀察複雜而精細的肺泡發育過程，通過建立了體外肺器官培養和活體觀察肺發育兩套的雙光子動態成像系統,對肺泡發育過程的實時觀測。從而為研究調控肺泡發育的機制提供重要的線索。

在題為「The strength of mechanical forces determines the differentiation of alveolar epithelial cells」的封面論文中，研究人員發現肺泡祖細胞的分化是受機械力（Mechanical forces）的大小調控。通過將實時動態成像系統和譜系追蹤手段相結合的實驗方法，研究者發現在肺泡祖細胞開始分化之前，部分肺泡祖細胞會在成纖維細胞生長因子10（Fibroblast GrowthFactors 10, FGF10）的誘導下，向基底側伸出偽足。隨後這部分祖細胞的細胞體遷移到終末氣管基底側（basal side）。

隨著胚胎髮育，胚胎的呼吸運動開始增強，羊水被吸入到終末氣管中。這種呼吸運動對肺泡祖細胞產生機械力，從而導致沒有遷移的那部分肺泡祖細胞被拉伸成扁平狀並最終分化成肺泡一型細胞。而遷移的那部分肺泡祖細胞則因為其頂端（apical side）表面積的減小，以及頂端處富集肌動蛋白，從而可以抵抗胚胎呼吸運動產生的機械力，並維持了這些細胞的立方體細胞形態，最終這部分肺泡祖細胞分化成肺泡二型細胞（下圖）。

上圖總結了肺泡發育過程，羊水（amniotic fliud）偏少會導致肺泡空腔減小和更多肺泡二型細胞（AT2）的產生，抑制肺泡祖細胞的遷移則對導致更多肺泡一型細胞（AT1）的產生。

該研究結果表明肺泡祖細胞的分化同時受到細胞生長因子和機械力的調控，這也提示我們體內幹細胞的增殖分化等細胞行為既受各種各樣的生長因子也受細胞所處的機械力環境調控。同時，該研究也解釋患波特綜合征（Poter』s Syndrome, 1:3000-1:5000 發病率）的新生兒肺發育缺陷的原因，為今後預防和治療相關疾病提供指導。

在另一篇題為「Mechanical Forces Program the Orientation of Cell Division during Airway Tube Morphogenesis」的論文中，研究人員運用實時動態成像對體外培養的肺進行觀察後發現在肺上皮細胞中有兩種具有不同動態行為的紡錘體。一種叫「fixed-spindle」，這種紡錘體在進入細胞有絲分裂中期後很快就保持靜止直到細胞分裂，它的分裂方向沿著氣管的長軸方向起著增長氣管長度的作用。另外一種紡錘體叫「rotating-spindle」，這種紡錘體在細胞分裂前一直保持旋轉，它的分裂方向則是隨機的，對氣管的增長和增寬是一樣的。通過對「fixed-spindle」和「rotating-spindle」的空間和時間相關性分析後發現它們在空間位置上沒有相關性，但是在時間上 「fixed-spindle」和「rotating-spindle」的出現則是相互依賴。

細胞在有絲分裂間期的形狀對細胞分裂方向起著重要作用，有一個經驗性的總結叫細胞長軸規律（long-axis-rule），即細胞傾向於沿著它在有絲分裂間期時形狀的長軸方向分裂。在對細胞分裂前的形狀分析後發現，「fixed-spindle」在有絲分裂間期的縱橫比要比「rotating-spindle」大並且遵循細胞長軸規律（long-axis-rule）。運用「cell-based mechanical model」對細胞分裂進行數學模型模擬和對體外培養的肺拉伸後發現機械力能夠作為一種調節信號來維持「fixed-spindle」和「rotating-spindle」之間比例的穩定（下圖）。

針對上述兩項研究，最新一期Dev Cell雜誌還專門邀請著名的發育生物學家、杜克大學教授、美國科學院院士Brigid L.M. Hogan撰寫題為「Integrating Mechanical Force into Lung Development」的評論，對上述兩項工作給予了高度評價（下圖）。

評論中寫道：臨床研究表明，精準的羊水壓力調控對肺的發育至關重要。對羊水壓力的擾動將導致影響病人終身的肺發育缺陷。北京生命科學研究所湯楠實驗室同時發表的兩篇文章，通過將遺傳學、組織培養技術與實時動態成像技術相結合，分別揭示了在肺發育的兩個階段——氣管發育和肺泡發育中機械力對肺上皮細胞增殖分化等細胞行為的調控機制。這些研究首次直接觀察到肺發育過程中的細胞行為，並提出機械力與生長因子協同作用共同調控肺發育的全新的模型，更新了大家對肺發育的認識，顯著地促進了肺發育的研究。

據悉，封面論文的第一作者為NIBS和中國農業大學聯合培養博士李蛟，其他作者還包括湯楠實驗室王諍、姜克武、褚琦琦和李娟，湯楠博士為通訊作者。另一片論文中，湯楠實驗室PTN項目研究生湯贊和清華大學清華大學周培源應用數學中心胡煜成為本文共同第一作者，其他作者還包括湯楠實驗室王諍和姜克武，影像中心的占成博士，湯楠博士和加州大學舊金山分校Dr. Wallace F. Marshall為共同通訊作者。

湯楠博士是我國肺再生領域研究的拓荒者，近幾年的成果主要是分離並研究了肺泡幹細胞，然後對其功能進行了細緻的研究，相關工作都是開創性的，雖然比較小眾但是未來可能會對治療一些肺臟相關疾病的治療提供切實有效的可行方案。湯楠課題組2016年在Cell Reports雜誌發表文章還闡述了Cdc42/F-actin/MAPK/YAP信號通路的激活對肺切除後的肺泡再生過程中的重要作用【2】。

說明：上述內容部分主要參考了NIBS官網的相關報道。

參考文獻：

1、Lum, S., Kirkby, J., Welsh, L., Marlow, N., Hennessy, E., and Stocks, J. (2011).Nature and severity of lung function abnormalities in extremely pre-term children at 11 years of age.Eur. Respir. J.37, 1199–1207.

2、Liu, Z., Wu, H., Jiang, K., Wang, Y., Zhang, W., Chu, Q., ... & Tang, N. (2016). MAPK-mediated YAP activation controls mechanical-tension-induced pulmonary alveolar regeneration.Cell reports, 16(7), 1810-1819.

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！