bHLH 因子网络调控果蝇肠道干细胞命运的研究进展

本文揭示了 bHLH 转录因子网络控制果蝇肠道干细胞干性和分化的机制，为理解干细胞命运调控提供新视角。

　　

研究背景

在多细胞生物中，干细胞命运的调控是一个关键过程，这一过程依赖于转录因子（TFs）形成的基因调控网络。肠道干细胞（Intestinal stem cells，ISCs）作为成体组织多能性的典范，在自我更新和分化为分泌细胞或吸收细胞谱系之间面临抉择。然而，对于多能干细胞如何在转录水平上平衡自我更新与分化，科学界仍知之甚少。

在果蝇中，ISC 可通过不同分子触发产生特定谱系的前体。高 Notch 信号诱导成肠细胞（enteroblasts，EBs）形成，进而分化为吸收细胞（enterocytes，ECs）；而表达基本螺旋 - 环 - 螺旋（basic helix-loop-helix，bHLH）转录因子 Scute（Sc）和 Asense（Ase）则诱导肠内分泌细胞（enteroendocrine cells，EEs）前体形成。但 ISC 子代细胞在分化和谱系选择方面的具体决策机制尚不清楚，同时，bHLH 转录因子在其中的相互作用及调控机制也有待深入研究。

研究结果

1. Da 同二聚体维持干细胞特性并阻止分化：通过对 da 基因功能缺失和过表达的实验研究发现，缺失 da 会导致细胞几乎完全分化为 ECs，偶尔分化为 EEs；而过表达 da 则抑制 EC 分化，促进 EE 分化。进一步研究表明，Da 同二聚体（Da:Da）能够促进干细胞特性的维持，阻止细胞分化，且可能参与另一种诱导 esg⁺细胞死亡的复合物的形成。
2. Da:Sc 和 Da:Da 在分泌细胞分化中相互拮抗：对比过表达 sc 与共表达 da 和 sc 的实验结果，发现二者对 EE 分化的影响不同，表明 Da:Sc 和 Da:Da 在 EE 分化过程中存在拮抗作用。同时，二者似乎协同诱导细胞增殖和形成 Delta（Dl）阳性、Prospero（Pros）阴性的 ISCs。
3. Sc 和 Da 均可赋予 ISC 分子和细胞特性：mRNA 测序（mRNA-seq）分析显示，过表达 da、da:da 或 sc 会产生不同的转录特征，且它们对 ISC 和 EE 特异性基因的表达有不同影响。此外，将 sc、da 或 da:da 表达于 EBs 中，可使 EBs 获得 ISC 特性，且 sc 过表达还能诱导 EBs 向分泌谱系分化。
4. Emc 通过调节 Da 促进 EC 分化：研究发现 Emc 在果蝇成年肠道的所有细胞类型中均有表达，且在 EBs 和 ECs 中表达较高。Emc 缺失会导致分化受阻，ISC/EBs 增多；而过表达 Emc 则促使所有 ISC/EBs 分化为 ECs。进一步研究表明，Emc 通过阻止 Da:Da 和 Da:Sc 二聚体的形成，促进 EC 分化并抑制 Dl 表达。
5. Emc 对 EB 的分化和维持至关重要：利用 EB 特异性驱动子表达 emc^RNAi，发现 emc 缺失的 EBs 会表达 Dl，且这些细胞能进行有丝分裂，表明 Emc 对 EB 的分化和维持其作为吸收祖细胞的状态至关重要。
6. Notch 和 emc 独立作用于 Da 调节 ISC 命运：研究表明，Notch 信号通路与 da 基因相互作用，影响细胞分化。同时，emc 转录受 Notch 信号调控，但二者在促进吸收命运方面独立发挥作用。此外，da 和 Esg 在维持干细胞特性方面相互独立，共同调节 ISC 命运。

研究讨论

1. 二聚化网络调节三种细胞命运：本研究揭示了 bHLH 因子代码在果蝇成年肠道三种细胞命运获取和维持中的核心作用。不同的二聚体组合，如 Da:Da、Da:Sc 和 Da:Emc，决定了细胞的命运走向。这种调控机制与果蝇视网膜和外周神经系统中的相关调控网络不同，在这些组织中，Da 同二聚体与 Da 和 II 类 bHLH 神经发生因子的异二聚体促进相同命运。而在成年中肠，Da:Da 和 Da:Sc 促进不同命运，Emc 则通过调节二者平衡来实现 EC 分化。这表明在肠道干细胞中，命运平衡依赖于三重选择而非连续的二元决策，且类似的网络可能在哺乳动物肠道等其他干细胞系统中发挥作用。
2. 多种因子维持 EB 的分化状态：EB 的分化和维持受到多种因子的调控。Notch 信号诱导 EB 形成，但形成后其维持并不依赖于 Notch。研究发现 Emc、TF Sox21a 和全局共抑制因子 Groucho 等均参与防止 EB 向 ISC 逆转，而 Ttk69 或 Klu 的缺失、Phyllopod 的过表达则会导致 EB 向 EE 转分化。这些结果表明 EB 具有一定的可塑性，类似于哺乳动物肠道中 EC 前体在再生过程中的去分化和重新填充隐窝的行为。
3. 研究的局限性：本研究在探究 Da、Sc 和 Emc 之间的功能关系时，使用的过表达工具无法精确控制蛋白的化学计量，未来研究需借助更精确的工具来解决这一问题。此外，研究中使用的 emc^RNAi转基因 NIG-1007R 在某些表型上存在与其他转基因不一致的情况，可能存在非细胞自主的抑制效应，这也值得后续研究关注。

研究展望

本研究为理解干细胞命运调控机制提供了重要线索，但仍有许多问题有待进一步探索。例如，bHLH 因子网络中各因子蛋白浓度和功能在不同肠道细胞类型和时间尺度上是如何调控的；Notch 信号通路与 bHLH 因子网络之间的详细相互作用机制；以及在哺乳动物肠道等其他系统中，类似的调控网络是否存在且如何发挥作用等。这些研究将有助于深入揭示干细胞命运调控的奥秘，为相关疾病的治疗和再生医学的发展提供理论基础。