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肠道是一个高度动态的组织，依赖于Lgr5+肠干细胞 (ISCs) 的增殖和自我更新来实现自我修复【1】。然而，当肠道受到损伤时，Lgr5+ISCs会变得非常敏感，无法满足修复需求【2】。为了克服这一障碍，肠道会启动重编程过程，产生新的干细胞来修复损伤。这些新的干细胞被称为恢复干细胞 (revSCs)，它们具有胚胎样特征，可以分化成Lgr5+ISCs和其他肠上皮细胞类型【3】。revSCs的发现为理解肠道再生的分子机制提供了新的视角。然而，revSCs的起源和调控机制仍然是一个谜。近日，来自加拿大西奈山医院的Jeffrey L. Wrana研究团队在Nature cell biology杂志上发表题为Chromatin remodelling in damaged intestinal crypts orchestrates redundant TGFβand Hippo signalling to drive regeneration的研究论文，该研究通过单细胞多组学技术解析肠道损伤后染色质重塑的动态变化，并阐明TGFβ和Hippo信号通路在revSCs诱导和肠道再生中的作用。研究人员使用单细胞ATAC-seq和RNA-seq技术对辐照和未受损的小肠隐窝进行了多组学分析，通过WNN方法将肠道上皮细胞分为20个不同的细胞簇，包括ISCs（肠干细胞）、revSCs（恢复干细胞）、ECs（肠细胞）、GCs（杯状细胞）和EE（内分泌细胞）等。研究发现，损伤导致ECs的CV区化模式发生转变，ISCs的基因可及性降低，而revSCs的基因可及性在整个CV轴上分布。此外，不同细胞类型的基因表达和可及性模式存在差异，例如ISCs和revSCs的基因可及性存在重叠，反映了细胞状态之间的动态转换。研究人员发现，小肠隐窝损伤后TGFβ信号通路被短暂激活，其下游信号分子Smad2/3的磷酸化水平升高，并观察到Smad2/3和Tead基序在损伤后revSCs、ISCs和潘氏细胞中富集。通过组织染色和蛋白质印迹实验，研究人员证实了损伤诱导的Tgfbr2表达增加、Smad2/3磷酸化水平升高以及Smad2/3蛋白表达增加。此外，通过体外培养实验，研究人员发现TGFβ1可以抑制ISCs标记基因的表达，并诱导revSCs的产生，这些revSCs可以分化成Lgr5+ ISCs和它们的子代细胞。这表明TGFβ信号通路可能在损伤后发挥重要作用，促进revSCs的产生和肠道再生。进一步，研究人员发现TGFβ II型受体（Tgfbr2）基因敲除小鼠在损伤后表现出revSCs数量减少，但Olfm4+隐窝的数量仍然可以恢复，表明TGFβ信号通路在肠道再生中并非绝对必需。然而，Yap/Taz基因敲除小鼠在损伤后表现出Clu+ revSCs数量减少、Olfm4+隐窝的数量减少和肠道形态发生严重缺陷，表明Hippo信号通路在肠道再生中起着重要作用。通过组织染色和蛋白质印迹实验，研究人员证实了Yap/Taz基因敲除小鼠的损伤响应和Olfm4+隐窝的恢复延迟。此外，研究人员还发现Yap/Taz基因敲除小鼠的肠道形态发生严重缺陷，提示Hippo信号通路可能在维持肠道形态方面发挥重要作用。最后，研究人员构建了三重敲除（YTT，Yapfl/fl;Tazfl/fl;Tgfbr2fl/fl ）小鼠，发现YTT基因敲除小鼠在损伤后表现出Clu+ revSCs数量减少、Olfm4+隐窝的数量减少和肠道形态发生严重缺陷，表明TGFβ和Hippo信号通路在肠道再生中起协同作用，两者都受损时会导致严重的再生缺陷。通过体外培养实验，研究人员发现YTT基因敲除小鼠的肠道类器官在损伤后无法恢复，提示TGFβ和Hippo信号通路在维持肠道类器官的完整性方面发挥重要作用。此外，研究人员还发现YTT基因敲除小鼠的肠道类器官在传代培养后数量减少，提示损伤信号可能被激活。这些结果表明TGFβ和Hippo信号通路共同起作用，以确保再生干细胞的诱导和肠道再生。图1 TGFβ和Hippo信号通路驱动受损肠道再生总之，这项研究揭示了肠道再生过程中关键信号通路和细胞状态动态变化，发现染色质重排和Hippo/TGFβ信号通路共同驱动了再生干细胞的产生，这些干细胞能够分化为新的肠道干细胞和修复受损的肠道组织。https://doi.org/10.1038/s41556-024-01550-4
制版人：十一
1. Barker, N. et al. Identification of stem cells in small intestine and colon by marker gene Lgr5. Nature 449, 1003–1007 (2007).
2. Tao, S. et al. Wnt activity and basal niche position sensitize intestinal stem and progenitor cells to DNA damage. EMBO J. 36, 2920–2921 (2017).
3. Ayyaz, A. et al. Single-cell transcriptomes of the regenerating intestine reveal a revival stem cell. Nature 569, 121–125 (2019).
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