Sci Adv丨郭崢/藺蓉課題組合作揭示腸道干細胞選擇機制

腸道上皮依賴腸道干細胞（Intestinal Stem Cell，ISC）維持組織穩態、修復損傷并適應環境挑戰【1】。ISC異常增殖可驅動結直腸癌發生，而ISC耗竭則與潰瘍性結腸炎、放射性腸病及年齡相關的上皮退化密切相關。盡管其臨床意義重大，但ISC如何在腸道發育過程中被選擇出來，并實現規律的空間排布？目前人們對ISC的選擇機制還知之甚少。

在經典模式生物果蠅的腸道發育過程中，幼蟲腸道AMP（Adult Midgut Progenitor Cell）細胞增殖形成AMP島【2】 。既往假說認為每個AMP島會“選出”一個細胞成為未來的ISC【3】 。然而，這一理論還未被實驗所證明。而在哺乳動物小鼠模型中，盡管已有研究表明胚胎期E13.5階段的ISC選擇與Wnt信號通路激活密切相關【4】，但ISC如何實現間隔性選擇仍需進一步探究。

2025年12月3日，華中科技大學同濟醫學院郭崢教授課題組與華中科技大學同濟醫學院協和醫院藺蓉教授課題組合作在Science Advances雜志在線發表了題為

Drosophila

and mouse intestinal stem cells are spatio-temporally specified by Notch suppression and Wnt activation

該團隊發現果蠅ISC在蛹形成后（After puparium formation，APF）的8小時到12.5小時內被選擇出來。在這有限的時間窗口，從約900個AMP島（約6000個AMP細胞）中，“稀疏”選擇出大約150個ISC，隨后ISC通過對稱分裂擴大ISC池（圖1.A和B），至43h APF，產生了約600個ISC。推翻了前人“一AMP島，一ISC”的經典假說。

圖1 ISC的命運選擇軌跡和命運選擇過程中主要通路變化

A.t-SNE 可視化圖顯示基于標記基因表達對各細胞類型進行著色。樣本量為 5384 個細胞核。B.中腸上皮細胞的擬時序軌跡分析：按注釋細胞類型著色的發育軌跡，箭頭表示細胞命運選擇的方向。C.ISC-p1/p2命運標記的基因表達熱圖和按照擬時序順序聚類的ISC分支的3個信號模塊。中間代表AMP開始分化的偽時間。

通過對果蠅蛹期8-12小時APF的腸道進行單細胞核測序分析，該團隊首次繪制了腸道發育早期上皮不同細胞命運選擇的軌跡圖（圖1.A和B）。結果提示ISC命運選擇可能與Notch、Wnt、EGFR信號通路相關（圖1.C）。接下來，研究團隊通過一系列細胞生物學、遺傳學和譜系追蹤實驗證實：ISC的選擇必須同時滿足兩個條件，即Notch信號通路的抑制與Wnt信號通路的激活。當同時敲除Notch信號通路并激活Wnt信號通路后，所有AMP均被選擇成為了GFP+ 的ISC（圖2. A）。此外，在哺乳動物中，隱窩Lgr5+ ISC中的APC突變會持續激活Wnt信號通路，導致腸道未分化腫瘤的產生【5】 。該團隊在果蠅ISC命運選擇過程中突變APC，同樣產生了高增殖，低分化的腫瘤樣細胞團，對應了在哺乳動物腸隱窩中觀察到的腫瘤發生情況（圖2.B）。該團隊發現EGFR信號通路影響ISC的增殖，但并不參與ISC的選擇過程。

圖2 ISC的命運選擇及在命運選擇時誘導Apc突變會產生未分化腫瘤

在12.5h APF 時，對照組（esgts>GFP）和 esgts>NotchRNAi+armΔN 中 ISC（esg>GFP）的代表性圖像。B.Apc1Q8Apc219.3MARCM克隆的代表性圖像，在幼蟲 EL3 階段開始誘導克隆，在出蛹后14天檢測。

那么，Wnt和Notch信號通路是如何協同作用，實現約1/40的ISC選擇概率？該團隊揭示，來源于腸道中部的環形肌肉，與meconium（由幼蟲中腸腸細胞包裹幼蟲食物所形成）兩端分泌的Wg為ISC的選擇提供了“前-中-后”特定空間分布的Wnt信號激活區域（圖3.A）。在這些Wnt激活區域中，Notch信號介導的側向抑制僅在相鄰細胞中選擇出一個AMP成為ISC。通過這種時空配合的選擇機制，保證了腸道中稀疏選擇出固定數目的ISC及其相對固定的ISC選擇位置（圖3.B）。

圖3 Notch和Wnt信號決定腸道ISC的數目和空間位置

A.12.5h APF時，腸道中wg>GFP表達的代表圖像。上圖：包含胎糞的中腸。下圖：分離出來的胎糞。B.腸道ISC命運選擇的模型：（上圖）肌肉和胎糞中的Wg分泌建立了ISC選擇的區域。Notch信號在這些區域內介導側向抑制，以完善ISC的命運選擇。（下圖）野生型、Wnt過表達和Notch抑制條件下的ISC分布模式。

在小鼠胚胎腸道發育過程中，Wnt信號激活促進Lgr5+ ISC的選擇【4】。鑒于在果蠅腸道中抑制Notch信號通路促進了ISC的選擇，該團隊進一步探索了在小鼠胚胎腸道發育中抑制Notch信號通路對Lgr5+ ISC選擇的影響。實驗表明，在胚胎第9.5天（E9.5）抑制Notch信號通路后，至E12.5時，絕大多數的腸道上皮均被選擇為Lgr5+ ISC。證明小鼠Lgr5+ ISC的選擇同樣需要抑制Notch信號通路（圖3.A）。在胚胎ISC選擇完成后的E16.5抑制ISC中Notch信號通路，導致新生小鼠腸道中 Lgr5-EGFP+ISC細胞顯著減少，同時杯狀細胞數目增加（圖3.B），這說明在ISC確立之后，Notch信號的作用發生了轉變：從早期限制ISC命運，轉為維持ISC干性、阻止其分化為分泌型細胞。

綜上所述，該團隊的研究揭示，在時空精準配合下，通過“抑制Notch、激活Wnt”這一組合信號，可在腸道發育過程中稀疏選擇ISC，且該機制從昆蟲到哺乳動物高度保守。這提示了果蠅蛹期中腸發育過程與哺乳動物隱窩基部更為相似，兩者在ISC命運決定階段均依賴Wnt與Notch信號的協同作用，隨后均需要Notch信號維持ISC干性。而果蠅成蟲腸道上皮的穩態維持則類似于哺乳動物小腸的TA區和其產生的絨毛區域，其主要依賴Notch信號驅動細胞分化，較少需要Wnt信號的參與。這種時空上的對應關系表明，果蠅蛹期中腸可以作為研究哺乳動物小腸隱窩中ISC增殖和表皮穩態維持的保守模型。該研究所揭示的Notch信號通路在ISC選擇和維持過程中所具有的截然相反功能，以及Wnt信號在ISC選擇過程中所扮演角色，為探索癌癥發生提供了新的研究視角。

華中科技大學基礎醫學院醫學遺傳系郭崢教授和華中科技大學協和醫院藺蓉教授為本研究論文的共同通訊作者。華中科技大學同濟醫學院博士生吳悠為該論文第一作者。

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.ady7272

制版人： 十一

參考文獻

[1]Beumer J, Clevers H. Cell fate specification and differentiation in the adult mammalian intestine [J].Nature reviews Molecular cell biology, 2021, 22(1): 39-53.

[2]Jiang H, Edgar B A. EGFR signaling regulates the proliferation of Drosophila adult midgut progenitors [J].Development, 2009, 136(3): 483-93.

[3]Mathur D, Bost A, Driver I, et al. A transient niche regulates the specification of Drosophila intestinal stem cells [J].Science, 2010, 327(5962): 210-3.

[4]Nigmatullina L, Norkin M, Dzama M M, et al. Id2 controls specification of Lgr5(+) intestinal stem cell progenitors during gut development [J].Embo j, 2017, 36(7): 869-85.

[5]Barker N, Ridgway R A, van Es J H, et al. Crypt stem cells as the cells-of-origin of intestinal cancer [J].Nature, 2009, 457(7229): 608-11.

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