FOXO/Notch信号通过线粒体决定肠道干细胞命运

来源：BioArt

肠道表皮由多种细胞组成，而这些细胞均由同一种细胞分化而来，即Lgr5+肠道干细胞，或称隐窝基底柱状细胞（crypt-based columnar cells，CBCs）。机制上讲， CBC的维持、增殖和分化由WNT和Notch信号进行调节【1】。CBCs每天都在进行分裂，产生快速增殖的过渡扩增细胞（transit amplifying，TA）。当迁移到肠道腔的时候，这些前体细胞主要分化成2个谱系：吸收细胞（enterocytes）和分泌细胞（secretory），其中分泌细胞包括杯状细胞（goblet）、潘氏细胞（Paneth cell, PC）、肠嗜铬细胞（enteroendocrine，EC）和肠道簇细胞（tuft）等。Notch信号决定CBC向吸收细胞和分泌细胞其中的一种进行分化，即当Notch激活时，分化偏向吸收细胞；反之，则为分泌细胞。

CBC与PC细胞相邻近，都定位在肠道隐窝，但这两种细胞具有明显不同的代谢表型。其中，CBC依赖于线粒体呼吸来维持其干细胞功能，而PC细胞则更依赖糖酵解进行代谢，提示CBC在分化过程中，存在显著的代谢重编程，但是具体的分子机制并不清楚。

2020年11月3日，荷兰Utrecht大学医学中心Maria J. Rodriguez Colman团队在Cell Metabolism杂志发表题为Mitochondria Define Intestinal Stem Cell Differentiation Downstream of a FOXO/Notch Axis的研究论文，阐述了以线粒体为核心的代谢在肠道干细胞命运决定中的重要作用。

首先，鉴于FOXO转录因子在WNT和NOTCH信号以及细胞代谢中已知的作用【2,3】，作者推测FOXO信号在肠道干细胞分化中存在主要作用。因此，作者在肠道类器官中敲除Foxo1/3，发现敲除Foxo1/3以后，细胞朝向分泌细胞进行分化，其中PC细胞标志物lysozyme  (LYS) 升高（图1）。与之对应地，Foxo1/3/4敲除小鼠中CBC细胞减少，而PC细胞和杯状细胞增多（图1）。图1. FOXO1/3降低引起CBC向分泌细胞分化。

那么，FOXO1/3降低是否已及如何引起细胞代谢重塑发生呢？为了回答这个问题，作者对Foxo1/3敲除的肠道类器官进行代谢分析，发现Foxo1/3敲除后，线粒体代谢降低。线粒体融合分裂决定对线粒体代谢，因此，这种进一步分析比较了干细胞SC和PC细胞中线粒体的形态，发现PC细胞中线粒体发生了显著的分裂（fission）现象。与之对应地，Foxo1/3敲除后线粒体也发生显著的分裂（图2）。进一步实验发现，FOXO1/3通过miR-484影响Fis1的转录表达，而且过表达miR-48可以逆转Foxo1/3敲除引起的细胞代谢重塑和分化表型。这些结果表明，FOXO1/3通过miR-484/Fis1调节线粒体分裂引起细胞代谢重塑及干细胞分化。

图2. FOXO1/3通过miR-484/Fis1调节线粒体呼吸功能

为进一步验证线粒体分裂在CBC分化中的作用，作者使用线粒体分裂抑制剂Mdivi1【4】处理Foxo1/3敲除和对照细胞，发现Mdivi1可以逆转Foxo1/3敲除引起的细胞分化表型，降低Foxo1/3敲除引起的LYS表达升高，并减少Foxo1/3敲除引起的WGA阳性细胞数目增加。同样地，通过敲除线粒体分裂的另一个关键蛋白Drp1，也可以达到类似的降低LYS表达及减少WGA阳性细胞数目的效果。

鉴于Notch信号在分泌细胞分化中的关键作用，作者进一步考察Foxo1/3敲低对Notch信号的调节，发现Foxo1/3敲低使Notch信号失活，Notch信号分子NCID和OLFM4降低。反之，Foxo水平也受到Notch信号的调节，即当使用DAPT抑制Notch信号时，FOXO1蛋白水平表达降低。更重要的是，DAPT抑制Notch信号可以进一步升高FIS表达并引起线粒体分裂。同样地，使用Mdivi抑制线粒体分裂后，能够抑制由DAPT引起的LYS升高及分化。最后，作者通过单细胞测序，进一步验证了FOXO/Notch及线粒体在分泌细胞分化过程中的关键作用。

本研究主要以肠道类器官为研究模型，探索FOXO/Notch在细胞代谢重塑及肠道干细胞分化过程中的重要作用，发现了Notch/FOXO/miR-484/Fis1信号轴。在肌肉细胞中，FOXO作为线粒体形态（以分裂为主）及代谢，以及肌肉分化中的关键作用研究很多。本研究发现，在肠道干细胞的分化过程中，同样以FOXO1/3作为关键的调节枢纽。而且作者还发现了FOXO与Notch的相互调节，但具体调节机制还需进一步深入探索。鉴于干细胞自我更新及分化在肿瘤发生中的关键作用，本研究也可能为针对肠道肿瘤中的干细胞异常增殖提供可能的干预靶点。