ROS-JAK/STAT-E-钙黏蛋白轴在镉诱导的果蝇雄性生殖干细胞过早分化过程中起关键作用

《Chemosphere》：ROS-JAK/STAT-E-cadherin axis underlies cadmium induced premature differentiation of germline stem cells in Drosophila males

Cd暴露通过ROS-JAK/STAT-E-cadherin轴破坏果蝇GSC- niche粘附，导致干细胞数量减少和过早分化，而过表达Sod2可部分恢复E-cadherin表达。

　　
本研究以果蝇睾丸为模型系统，系统探究了重金属镉（Cd）通过活性氧（ROS）-JAK/STAT信号通路影响生殖干细胞（GSCs）稳态的分子机制。研究发现Cd暴露显著诱导果蝇睾丸组织ROS水平升高，并导致E-cadherin蛋白表达下调，这一效应通过抑制JAK/STAT信号通路介导。具体而言，Cd暴露后JAK/STAT通路核心组分Stat92E的蛋白表达水平在果蝇睾丸的顶端区域显著降低，且这一变化与E-cadherin在GSCs-干细胞 niches界面的表达抑制直接相关。通过基因操作证实，敲除ND42（编码线粒体复合体Ⅰ亚基）或过表达SOD2（超氧化物歧化酶）可有效缓解Cd暴露引起的ROS积累，并部分恢复Stat92E表达及E-cadherin水平，同时逆转GSCs数量减少和提前分化现象。

研究进一步揭示了JAK/STAT通路在调控E-cadherin表达中的关键作用。通过构建stat92E基因敲除背景的实验模型，发现E-cadherin表达下调完全依赖于JAK/STAT信号通路的抑制。而E-cadherin基因（shg）过表达在stat92E敲除条件下可有效补偿Cd暴露导致的GSCs niche粘附失效，这从分子层面证实了JAK/STAT通路通过调控E-cadherin表达维持干细胞粘附的机制。值得注意的是，RT-PCR数据分析显示Cd暴露仅显著抑制stat92E基因表达，而其他JAK/STAT通路上游调控因子（如upd1-3、dome、hop等）及下游效应基因socs36E的表达水平均未发生显著变化，这提示Cd对JAK/STAT通路的干扰可能存在特异性靶向。

在表型观察方面，Cd暴露的果蝇睾丸呈现典型GSCs稳态失衡特征：GSCs数量较对照组减少约60%，且Bam（分化标志蛋白）阳性细胞与干细胞 niches的物理距离缩短，同时分化终末细胞（如带有分支微管的结构）的迁移距离也显著减小。通过免疫荧光定位发现，Cd暴露导致E-cadherin在GSCs- hub界面的膜定位密度降低约50%，且这种改变在stat92E敲除模型中更为显著。此外，实验排除了凋亡机制的影响，因为Cd暴露组在顶端区域未检测到cleaved-caspase-3信号，且hub细胞标记FasIII的表达水平未发生改变。

该研究在机制层面揭示了ROS-JAK/STAT-E-cadherin调控轴的完整作用路径：Cd暴露通过诱导线粒体ROS爆发，导致ND42复合体功能受损，进而引发JAK/STAT信号通路的级联抑制。Stat92E磷酸化不足使下游转录因子无法激活，最终导致E-cadherin基因（shg）表达下调。这种多层次的分子调控网络共同作用，促使GSCs提前脱离干细胞 niches进入分化程序。实验创新性地采用早期生殖细胞特异性基因操作策略（如nos-Gal4驱动），成功将干扰聚焦于干细胞 niches与GSCs的界面区域，为解析 niche微环境调控机制提供了新方法。

研究结论对环境毒理学和干细胞生物学具有双重意义。在环境健康领域，首次证实Cd通过氧化应激破坏干细胞 niches的物理粘附和信号通讯，为重金属毒理作用机制研究提供了新视角。在干细胞生物学方面，发现果蝇模型中JAK/STAT通路通过Stat92E直接调控E-cadherin的表达，这不同于哺乳动物系统中JAK/STAT通过非经典途径影响E-cadherin的机制，提示不同物种间干细胞 niche调控存在进化特异性。此外，研究建立的抗氧化干预策略（如SOD2过表达）为化学诱导的干细胞损伤治疗提供了潜在靶点。

本研究的局限性主要体现在单次暴露实验设计和ROS检测手段的选择上。首先，实验采用固定剂量（20 μg/ml）和单次暴露模式，未能考察剂量依赖性和时间效应关系。其次，DHE染色主要反映细胞内ROS的总体水平，未能区分具体ROS类型（如O2?、H2O2、OH?等）。未来研究可结合多色荧光探针进行ROS亚型定位，并建立长期暴露模型以揭示慢性Cd毒性对干细胞谱系的动态影响。

值得注意的是，实验中通过shg基因过表达成功恢复了Cd暴露引起的表型变化，这为开发基于E-cadherin调控的抗氧化治疗策略提供了理论依据。同时，发现敲除stat92E基因后，E-cadherin表达水平仍显著低于对照组，提示可能存在其他冗余调控通路。这些发现将推动后续研究深入探讨JAK/STAT通路以外的潜在调控网络，以及不同ROS信号通路的交互作用。

本研究的创新性体现在三个方面：首次明确Cd在果蝇模型中通过ROS-JAK/STAT-E-cadherin轴破坏GSCs niche粘附；建立基因操作与表型解析的精准对应关系；揭示干细胞 niche中氧化应激与粘附分子表达的动态平衡机制。这些成果不仅完善了重金属毒理作用的理论体系，更为利用果蝇模型开发靶向干细胞 niches的抗氧化疗法提供了实验基础。