细胞通讯决定腺体干细胞命运

来源：BioArt
说起来自比利时布鲁塞尔自由大学干细胞与癌症实验室的Cédric Blanpain教授，很多读者并不陌生，正是那位证实了癌症干细胞存在的科学家。2020年4月，Cédric Blanpain教授实验室在Cell杂志上发表文章剖析了从出生到成年，皮肤生长的动力学机制（详见BioArt报道：Cell | 出生后的皮肤生长机制及细胞动力学）；7月，他又在Nature杂志上发表了关于表皮干细胞在皮肤拉伸扩张中的机制研究的文章【1】。
2020年8月26日，Cédric Blanpain团队又双叒叕出新作了，在Nature杂志发表了题为Heterotypic cell–cell communication regulates glandular stem cell multipotency的文章。这次他把焦点放在了腺体干细胞上。这项研究表明，基底细胞和管腔细胞之间的异质性通讯对于维持腺上皮干细胞的命运至关重要。

腺上皮细胞，如乳腺和前列腺，由基底细胞（basal cell，BC）和管腔细胞（luminal cell，LC）组成。许多腺体上皮细胞是由多能基底干细胞（basal stem cell，BSC）发育而来的，而在成体中，这些多能基底干细胞通常被各种不同的单能干细胞所取代。在组织/器官再生过程中或者在癌基因表达诱发的组织增生过程中，成体单能干细胞可以被激活进行分化【2,3】。这表明，在正常生理条件下，存在一种限制BSC多能性的主动调控机制，但这种机制的具体细节尚不清楚。
过去的研究表明，在胚胎发育过程中，基底细胞具有多能性，可以分化成BC和LC。而在出生后，基底细胞仅保留了分化成BC的能力，即表现为单能性。有趣的是，当仅仅移植成体的单能性乳腺BC时，这些BC可以分化成BC和LC，提示当没有与LC一起移植时，这些BC又重新具有了多能性。在该文章中 ，作者正是从正常生理条件下BC仅为单能性，而在组织/器官再生过程中又具有了多能性这两个看似矛盾的观察入手，探索基底细胞干性的调节机制。
上文提到的，单独移植BC，BC恢复多能性；而当将BC与LC一起移植时，BC却仅仅表现为单能性，这些都提示LC本身可能就是限制BC多能性的因素，这篇文章中，作者正是通过一系列的体内体外实验来证明这一观点。
工欲善其事必先利其器。为了研究LC是否是限制BC多能性关键，作者首先构建了K5CreER/Rosa-tdTomato/K8rtTA/TetO-DTA转基因小鼠模型来实时地追踪BC谱系和清除LC。一方面，这个转基因小鼠可以通过他莫昔芬诱导对BC进行Tomato荧光标记，另一方面，可以通过DOX诱导LC表达DTA，诱导LC细胞凋亡，达到清除LC的目的。
首先，作者发现，在小鼠体内清除LC后，Tomato荧光标记同时出现在BC和LC中，提示新形成的LC来源于BC的分化。同时，这种构建了另外一种转基因小鼠模型K14rtTA/TetO-DTA/K8CreER/Rosa-YFP，用来同时追踪LC谱系和清除BC。与清除LC时所观察到的结果不同，在第二种转基因小鼠模型中清除BC后，并未观察到LC分化成新的BC（图1）。
小鼠体内实验结果证明了清除LC是诱导BC分化的充分条件，那么是必要条件吗，还需要其它细胞（如间质，炎症细胞等）或信号在其中起作用吗？作者进一步在体外培养的类器官中进行了与体内类似的实验，发现体外实验中，清除LC同样能够诱导BC分化成新的LC，不需要间质和炎症细胞等的参与（图1）。作者对一系列腺体器官进行分析后均发现，清除LCs激活多种腺上皮BSCs的多能性，包括乳腺上皮、前列腺上皮、汗腺上皮、唾液腺上皮、肌上皮等。
图1.清除管腔细胞（LC）刺激基底细胞（BC）的多能性
在对新形成的LC细胞进行FACS分析时，作者发现存在一群“过渡”或者说“混合”细胞（CD29highEpCAMhigh），进一步RNA-seq发现，这些细胞同时具有BC和LC的转录特征。同时，在清除LC后，BCs和新形成的LCs中一系列基因发生了上调，包括控制细胞分裂、细胞外基质、肌动蛋白调节因子、炎症和上皮-间充质转化的基因（图2）。进一步单细胞测序结果显示，在BC向LC分化这个渐进的过程中，BC已经逐步在雌激素受体阳性（ER+）或阴性（ER-）二者之间选择自己的归宿，最终成为ER+或ER-的LCs。在前列腺、汗腺、唾液腺中也发现了这种“混合”状态的存在，表明在腺上皮细胞中，多能性的重新激活是一种保守机制。
图2. BSC多能性表现出基底细胞和管腔细胞“混合”状态
前面作者证明了清除LC可以引起BC的重获多能性并分化成LC，那么在正常生理条件下（即没有因组织/器官损伤而需要再生），LC是如何抑制BC的多能性呢？鉴于这种调节是细胞间（LC对BC）的调节，最可能的机制就是细胞A释放的因子作用于细胞B的受体。
作者通过对比正常成体，胚胎多能前体细胞和清除LC后三种条件下的配体-受体相互作用，寻找仅在正常成体中出现的配体-受体，它们可能就是LC抑制BC多能性的刹车。通过筛选，作者发现了25个可能的潜在靶点，进一步作者发现TNF抑制剂能够诱导BC多能性，且TNFα仅在LC细胞中表达。更重要的是，将TNF阻断抗体adalimumab注入成年小鼠乳腺中，同样能够诱导BC多能性；相反，直接补充TNF则能够阻断由于清除LC而引起的BC多能性的激活。这些体内体外实验结果都说明，BC对LC多能性的调控是通过TNF来实现的（图3）。
图3. 正常稳态条件下，LC表达的TNF限制了BC的多能性
除TNF外，作者发现还存在多种配体-受体可能在其中起作用，包括WNT7B-FZD4，ROR1-WNT5A，NRG1-ERBB3，EREG-EGFR，JAG1-NOTCH1和JAG1-NOTCH2等。进一步验证实验表明，Notch、Wnt和EGFR信号通路均参与到LC对BC多能性的调控。
总而言之，这项研究表明，在大多数成年人腺上皮细胞中，多能干细胞对单能细胞命运的调控是由细胞-细胞间的通讯来实现的。作为一种协助乳腺上皮增生、分支形态发生和肺泡分化的分子【4】，肿瘤坏死因子是由LC分泌，实现生理条件下对BSC多能性限制的关键因子。此外，Notch、Wnt等经典的细胞间信号在LC清除诱导的BSC多能性激活中也发挥重要作用。这项研究帮助我们更好地理解了BSC多能性调控在不同腺体间的保守性和组织特异性机制。由于多能干细胞的活化、细胞命运的改变等都与肿瘤的异质性有关【3，5】，因此，调控成年人腺组织干细胞多能性的关键因子可能也是相关肿瘤发生的机制，可能成为肿瘤治疗的靶点。

参考文献
1. Aragona M, et al. Mechanisms of stretch-mediated skin expansion at single-cell resolution. Nature 584(7820):268-273 (2020).2. Van Keymeulen, A. et al. Distinct stem cells contribute to mammary gland development and maintenance. Nature 479, 189–193 (2011).3. Koren, S. et al. PIK3CA(H1047R) induces multipotency and multi-lineage mammary tumours. Nature 525, 114–118 (2015).4. Varela, L. M. & Ip, M. M. Tumor necrosis factor-alpha: a multifunctional regulator of mammary gland development. Endocrinology 137, 4915–4924 (1996).5. Youssef, K. K. et al. Adult interfollicular tumour-initiating cells are reprogrammed into an embryonic hair follicle progenitor-like fate during basal cell carcinoma initiation. Nat. Cell Biol. 14, 1282–1294 (2012).