（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/