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《Nature》刊登重大突破,Wnt信号通路功不可没! 精选

已有 10472 次阅读 2017-1-12 12:31 |系统分类:海外观察|关键词:信号通路,wnt/beta-catenin, nature,生物学,科研进展,研究突破,生物科研

未止科技原创,转载请联系我们。原文:《Nature》重大突破

今年1月4日,《Nature》刊登了一项重磅干细胞研究突破:来自美国辛辛那提儿童医院的科学家Jim Wells博士带领他的团队成功地中利用人体多能性干细胞(human pluripotent stem cells,hPSCs),在培养皿培育出了人体胃底组织(stomach fundus)-这是人体胃部用来生产胃酸和消化酶的重要部分【1】。

现在,全球肠胃疾病发病率日渐增长,胃癌也成为了世界第三大癌症相关死亡的病因。而科研界却迟迟没有找到足够的胃底组织研究模型-这一发现无疑能够帮助科学家们拓展思路,从更深度的层次研究人体胃部组织是如何相互作用,对感染和损伤做出反应,从而促进疾病模型的开发,新疗法和新药物的发现。

从2010年起,Jim Wells的团队就在探索利用人体多能性干细胞来制造肠胃组织的可能性。理论上,多能性干细胞可以分化成几乎所有人体细胞和组织。在胚胎发育时期,多能性干细胞在特定的信号通路调控下,形成了人体的三个“层”:外胚层,即表皮和神经系统;中胚层,即消化、呼吸系统等器官;内胚层,即骨骼、肌肉以及血液循环系统。然而,当胚胎发育完成,多能性干细胞的这种特征就会消失:它们会停止分化,无法再“制造”任何组织和器官了。许多研究已经证实,在体外环境下,如果对信号通路进行人为的改变,多能性干细胞就可以重新焕发“活力”,能够根据特定信号的指示,在体外分化为某些组织和器官。早在两年之前,Jim Wells就成功地利用人体多能性干细胞在体外培育出了人体胃窦的类器官(antrum organoid)-胃部产生激素的组织【2】。但是,人体的胃部由胃窦和胃底两个部分组成,这项突破并不能很好地帮助人们理解胃底的生理机制-Jim Wells希望能人工培育出胃底,从而完成一个完整的胃部模型。

根据过去的研究,Jim Wells已经证实,经过诱导的hPSCs首先分化为后前肠组织(posterior foregut),最终定型为胃窦。所以,Jim Wells提出了假设:胃窦和胃底都是由后前肠组织进一步分化而来,只需要在第二步改变诱导条件,就可以让hPSCs分化为胃底组织。

有了之前的铺垫,看起来Jim Wells离成功只有一步之遥。然而,他却遭遇了一个更大的挑战:目前,科研界对胚胎时期人体胃部的发育过程缺乏足够的了解。也就是说,“改变诱导条件”听上去很简单,但究竟哪些信号通路会影响hPSCs分化为胃部?哪些信号分子会决定胃底和胃窦的形成?人们却一无所知。Jim Well曾表示:”我们根本不可能在体外培养出人体胃组织,除非我们能够鉴定出胃部在正常胚胎中是如何发育的。“

于是,Jim Wells决定利用小鼠胚胎来研究调控胃部发育的信号通路。为了鉴定出胃部发育的关键标志物,他收集了不同胚胎阶段的样本,利用抗体进行了免疫荧光实验(immunohistochemistry),最终识别出了影响胃底分化的三个关键信号分子:SOX2(+), GATA4(+),PADX1(-)。而在整个发育过程中,转录因子Irx2,3,5也显示出了很高的表达量这些关键标志物都是wnt/beta-catenin信号通路中最常见的角色-因此,Jim Wells推断,wnt/beta-catenin信号通路很可能就是控制胃底组织分化的”幕后BOSS“。为了证实这个假设,他对beta-catenin基因进行了”条件性敲除(cKO)“,从而彻底破坏了实验体内的wnt/beta-catenin信号通路,同时再次用抗体进行了免疫荧光鉴定。不出所料,失去wnt/beta-catenin通路的胚胎无法正常分化出胃底组织。最后,通过对cKO细胞的研究,Jim Wells终于发现的wnt/beta-catenin通路的真正作用:在胃部组织发育的后期阶段,促进胃部细胞的生长,同时诱导胃底组织的形成,反过来抑制干细胞发育成胃窦。

有了这项实践基础,Jim Well开始尝试利用人体多能性干细胞在体外制造胃底。通过对wnt/beta-catenin通路诱导条件的不断摸索,Jim Well成功地让hPSCs在培养皿中发育成了胃底类器官,实现了一大突破。目前,使用wnt/beta-catenin调控hPSCs来形成胃底组织大约需要6周时间。下图就是完整的分化调控过程:


(注:CHIR为GSK3beta的抑制剂CHIR99021 )

在胃底中,有两类关键细胞-主要细胞(cheif cell)和贴壁细胞(parietal cell)。前者是产生胃蛋白酶的关键细胞,而后者能够分泌促进维生素B12吸收的蛋白因子。那么,具体哪些信号通路促进了这两类细胞的分化和形成?Jim Wells再次利用了抗体,进行了免疫荧光,免疫组化和ELISA等实验,鉴定出了几个影响细胞形成的关键分子:PGA5,PGC和MIST1影响了主要细胞的形成,而ATP4A,ATP4B和GIF影响了贴壁细胞的形成。

(请注意,本文仅对研究的关键步骤进行了分析,并未具体到各个细节。如有兴趣请查看完整文献,请勿以点代面进行理解)

引用文献:

【1】doi:10.1038/nature21021

【2】doi: 10.1038/nature13863


能够实现这次突破,Wnt/beta-catenin信号通路功不可没!那么,这条”神奇“的通路究竟有哪些作用?分子机理又是什么呢?

简单来说,wnt/beta-catenin通路是用来调控细胞增殖,细胞极性,以及控制细胞命运的基础通路,能够维持胚胎和组织发育的内稳态(homeostasis)。在这条通路中,外泌糖脂蛋白Wnt作为信号分子,与细胞膜表面受体LRP5/6以及Frizzled结合,激活细胞内通路下游的关键蛋白,GSK3,Axin等,从而调控“中间人” beta-catenin的蛋白分解,进一步影响细胞核内转录因子的活性。最终,调控目标基因的表达-如sox2等。在发育生物学和干细胞领域,wnt/beta-catenin通路占有十分重要的地位,许多研究都是围绕它来展开。整体通路存在“开”和“关”两种状态:

1. 在缺少Wnt分子的状态下,整个通路处于“关闭”状态。细胞质内的beta-catenin蛋白与下游的复合物结合(CKI,Axin等),从而被磷酸化,随后被泛素化,进入蛋白酶体(proteosome)的分解过程。同时,在细胞核内,转录因子TCF的抑制蛋白HDAC等在自然状态下会与TCF结合,从而抑制目标基因转录。因此,在“关”的状态下,下游的目标基因是无法表达的。


2. 然而,当Wnt分子与Frizzled受体结合后,将激活相邻的LRP5/6蛋白,通路进入”启动“状态。接下来,蛋白激酶CKI和GSK3将与LRP尾部结合。随后,Axin和Dishevelled也将结合到Frizzled和LRP的尾部,并使Dishevelled磷酸化。这个复合物十分稳定,从而阻止了能够使beta-catenin磷酸化的那个复合物形成。这样一来,beta-catenin就不会被分解,得以在细胞质内大量聚集,并进入细胞核。最终,beta-catenin在细胞核内与TCF转录因子结合,使得TCF脱离抑制蛋白复合物的”魔爪“。这样一来,目标基因就能够顺利地被转录了!


小编在此强烈推荐一篇综述文献,对wnt/beta-catenin通路进行了系统的解释,被引用数百次!有兴趣的朋友可自行查看:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2861485/




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