撰文 | 存中一贯 Lgr5+肠道干细胞（Intestinal stem cells, ISCs）的自我更新发生在肠道隐窝（intestinal crypts）的底部，而其增殖和分化则发生在肠道隐窝的更深层次【1,2】，这种隐窝极性（crypt polarity）现象已经在3D类器官上得到验证。同时，肠道肿瘤研究显示，细胞的增殖依赖于经典Wnt/R-spondin（Rspo）信号以及BMPi信号（bone morphogenetic protein inhibitors, BMPi）【3,4】，而虽然位于ISC附近的Paneth细胞能分泌经典的Wnt3，但是ISCs的功能维持却并不依赖于Paneth细胞，反而与上皮下间充质细胞以及隐窝极性相关。 小肠的间充质细胞是一群不同类型细胞的集合体，能够分泌多种不同的Wnt/Rspo以及BMP激动剂和拮抗剂。其中，隐窝以及绒毛顶端的一群上皮下成纤维细胞（sub-epithelial myofibroblasts, SEMFs）具有Foxl1+Pdgfrahi的基因表达特性，且是Wnt的主要来源之一【5】。但这一群细胞处在小肠隐窝的顶端，且表达大量的BMPs以及非经典的Wnt配体，在体外实验中也不能维持ISC的功能。相反，一群在空间上与ISCs隔离的，具有PdgfraloCD34+表达特征的基质细胞促进了ISCs的功能，这群在隐窝深层的细胞同时还表达Rspo3、Grem1等因子，可以在不添加外源因子的情况下促进ISCs的增殖【6】。 2023年4月5日，来自美国丹娜法伯癌症研究所的Ramesh A. Shivdasani团队在Cell Stem Cell发表了他们最新的研究成果，题目是 Graded BMP signaling within intestinal crypt architecture directs self-organization of the Wnt-secreting stem cell niche，他们对小肠隐窝皮下基质细胞进行了分类检测，确定了在维持ISCs自我更新方面的关键细胞类群及其基因表达特性。 一般研究认为，小肠间充质细胞分为三个类群，自上而下分别为：分泌BMP的SEMFs细胞，这一类细胞高表达PDGFRA；第二类细胞为低表达PDGFRA同时不表达CD81的细胞，这类细胞功能未知，分布在SEMFs细胞和黏膜基层（muscularis mucosae）上方；第三类细胞是分布在黏膜基层下面，低表达PDGFRA的滋养层细胞，这一类细胞同时还表达Ackr4、CD81、BMPi和RSPOs。单细胞测序以及流式细胞分析结果表明，在PDGFRA表达的细胞中，PDGFRA高表达的SEMFs细胞的比例约为23%，而PDGFRA低表达的基质细胞约为77%，这个细胞类群分布情况在肠道不同部位中都是一致的。另外，通过转录组和染色质表观遗传分析，研究人员发现表达PDGFRA的两个细胞类群，在基因表达上具有高度的相似性，那么它们功能上的不同可能来源于外源分泌因子的影响。 在维持ISC自我更新的分泌因子中，经典Wnt配体发挥了关键作用。以前的观点认为，SEMFs是经典Wnt配体的主要来源，负责维持ISC的自我更新，但有两个发现挑战了这一观点：一是研究发现，不同区域不同细胞类型中Wnt相关基因的表达谱是不同的，比如Wif1仅仅表达在SEMFs，而Sfrp1和Frzb则表达在PDGFRA低表达的细胞中；第二个发现是，scRNA-seq数据分析结果显示，在PDGFRA阳性细胞中，仅表达经典Wnt2，Wnt2b，Wnt9a以及非经典Wnt4，Wnt5a和Wnt5b，其中，最常见的经典Wnt2b在PDGFRA低表达细胞中的水平是SEMFs中表达水平的10-15倍，而非经典配体Wnt5a在SEMFs中的表达水平是其它细胞的8-9倍。研究人员通过多种荧光指示小鼠以及条件敲除小鼠对上述问题进行了检测，证实PDGFRA低表达细胞确实是经典Wnt配体的主要来源。另外，研究人员通过体外实验发现，激活CD81-基质细胞中Wnt分泌通路能够拯救Paneth细胞缺失引起的类器官培养失败，说明这一细胞类型中分泌的Wnt配体是维持ISC自我更新所需要的经典Wnt配体。 尽管Wnt2b在PDGFRAlo细胞中的表达水平没有差异，经典Wnt信号将在ISCs附近集中，而限制性RSPO共激活因子在滋养层细胞表达丰富。滋养层细胞强大的ISC活力导向性归因于其表达的Rspo3和Grem1，这两个基因在滋养层细胞表达最强，在CD81-基质细胞中也有少量表达。研究人员通过原位杂交以及单细胞测序等实验研究发现，从滋养层细胞向CD81-PDGFRAlo基质细胞，Grem1和Rspo3的表达逐渐减弱，而非经典配体Wnt4表达逐渐增强。研究人员通过荧光标记小鼠、原位杂交实验等确认Grem1+细胞与Wnt4+细胞不对称的分布在小肠和结肠中，这也体现了这两群细胞在维持ISCs活性方面的不同作用。 进一步的研究显示，PDGFRAhi SEMFs是BMP表达的主要细胞，BMP浓度也具有梯度特性。SEMFs细胞分泌的Bmp4和Bmp5能够通过CD81-PDGFRAlo基质细胞上表达的Bmpr1a和Bmpr2受体，调控BMP信号相关基因的表达，抑制BMPi的表达。因此，PDGFRAlo细胞的异质性不是由细胞本身特性决定的，而是由其所处的位置决定的。 总之，本研究对肠道隐窝皮下间充质细胞中CD81-PDGFRAlo类群细胞的分子特征和功能进行了详细的探究，分析了其在维持ISCs自我更新方面的作用机制，对于理解肠道干细胞生态位的复杂机制起到了很好的推进作用。 原文链接：https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.03.004
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参考文献
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