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    所內動態

    襲榮文實驗室解析腸內分泌細胞多樣性機制

    發布時間:2019/12/18

    2019年1217日,我所襲榮文實驗室在《Cell Reports》雜志發表題爲“The Cellular Diversity and Transcription Factor Code of Drosophila Enteroendocrine Cells.”的文章,系統性的解析了果蠅腸道中內分泌細胞的亞型、分布、轉錄因子代碼及信號調控機制,提出Notch 信號通路的側抑制作用及發育過程中建立的不同的體節身份共同決定了腸內分泌細胞的多樣性。

    腸道除了發揮消化和吸收功能外,還是被認爲是機體內最大的內分泌器官。這是因爲腸道的各個區段都分布著多種內分泌細胞(Enteroendocrine CellEE),它們感知外界信號刺激,並通過分泌多種神經內分泌肽調節食欲、代謝、腸蠕動等多種重要的生理過程。但是由于EE細胞的種類繁多,區域分布複雜,對其類型和分化機制的全面了解一直是一個巨大挑戰。

    北京生命科學研究所襲榮文實驗室長期利用果蠅模型研究研究腸道幹細胞的調節和EE細胞的分化機制,先後發現從腸道幹細胞到EE分化過程中的關鍵調控因子(Wang, et al., Development, 2015)、分化時的命運決擇機制 (Chen et al., Nature Cell Biology, 2018) 及命運執行機制(Yin and Xi, Stem Cell Reports, 2018)。在本課題中,研究人員通過單細胞轉錄組分析(scRNA-seq)技術,完成了對果蠅EE細胞亞型的全面鑒定。共鑒定出一個特定的EE前體細胞群體,以及10個成熟EE細胞亞群(圖1)。發現它們一共可以表達14種不同類型的神經內分泌肽,並完成了各EE細胞亞型的神經內分泌肽表達譜的繪制。雖然每個EE細胞的位置信息在組織消化和細胞分選過程中喪失,但是研究人員巧妙運用區域特異性基因富集分析獲得各EE亞型在腸道中不同區段的偏向性,並結合對各亞型特異性標記的神經肽或GPCR基因的敲入品系(果蠅Chemoconnectome library)進行免疫熒光染色分析,最終確定了EE細胞各亞型在整個中腸不同的區段的分布情況。



    1. Ten mature EE subtypes revealed by scRNA-seq.

    研究人員進一步對神經內分泌肽受體在EE細胞中的表達模式進行了分析,發現EE細胞表達的絕大多數神經內分泌肽,其受體並不在EE細胞中表達;而EE細胞表達的絕大多數受體,其相應的配體也表達于其他組織中,提示EE細胞主要介導器官-器官間的信號傳遞,系統性的調控機體生理過程的功能。有趣的是,某些EE細胞表達的神經內分泌肽,其受體也表達在臨近的或遠距離的EE細胞亞型中,提示EE細胞之間可能存在旁分泌或遠距離交流機制。

    接下來,研究人員進一步探索了EE細胞不同亞型的分化機制。基因表達譜的分析提示絕大多數亞型表達AstCTk的其中一個,所以可以通過AstC/Tk的表達與否把EE細胞分爲兩大類:Class IAstC)和Class IITk)。在前段腸道區域中存在一類AstCTk均不表達的EE細胞,且這些EE細胞表達另一種神經內分泌肽sNPF,這類EE被命名爲Class III EE。 通過在EE前體細胞或成熟細胞中激活或抑制Notch信號通路,證明了Notch通路在EE前體細胞中的活性決定了Class I Class II EE的分化。

    說明: C:\Users\xi\Desktop\subtype gut distribution.jpg

    2. EE subtypes and their spatial distribution.

    在轉錄因子調控方面,以往發現的轉錄因子僅參與由腸道幹細胞分化爲EE細胞的過程,而進一步調控EE細胞亞型的轉錄因子到目前爲止尚未被發現。研究人員通過分析EE細胞各亞型中轉錄因子的表達模式,獲得可以區分每個亞型的特異性轉錄因子組合,並通過RNA幹擾技術功能性驗證這些轉錄因子對EE細胞亞型分化的作用。最終發現轉錄因子MirrPtx1分別調控Tk+ Class II EEAstC+ Class I EE的分化。另外,一些區域特異性表達的轉錄因子,如EsgDrm等,決定了相應腸道區段特異的EE亞型的分化。最後,研究人員進一步探索了與神經內分泌肽的表達模式高相似性或互斥性的轉錄因子,並從中發現了hbn, NK7.1nlp等轉錄因子對EE多個細胞亞型的分化作用,最終構建了調控EE亞類分化的轉錄因子代碼(圖3)。

    說明: C:\Users\xi\Desktop\EE subtype TF code.jpg

    3. The transcription factor code for EE subtypes.

    總之,本研究結果提示果蠅腸內分泌細胞的多樣性是由Notch 信號通路的側抑制作用及發育過程中建立的不同的體節身份共同決定的。這種細胞多樣性機制在哺乳動物和人中很可能是保守的。果蠅的腸內分泌細胞各亞類的全面鑒定及轉錄因子代碼的解析爲進一步利用果蠅模型理解腸內分泌細胞的功能及分子調節機制奠定了重要基礎。研究人員同時建立了一個在線可檢索資源庫(FlyEE-seq: http://xilab.shinyapps.io/database/)以便于腸內分泌細胞單細胞資源的進一步開發和利用。我所襲榮文實驗室的郭興庭博士,殷暢博士,楊斧博士和研究助理張永超爲本文共同第一作者。本文的其他作者還包括NIBS核酸測序中心的黃煥偉、王家文和蔡濤博士,以及北京大學生命科學院的鄧博文博士和饒毅博士,襲榮文博士爲本文通訊作者。該研究由國家重點研發計劃、973項目、及北京市政府資助,在北京生命科學研究所完成。

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