追蹤關(guān)鍵細胞起源 找到肺病治療靶點
江 耘
肺泡是肺部氣體交換的主要部位，正常成年人的肺臟中有數(shù)億個肺泡。當疾病引發(fā)肺泡受損時，需要新生肺泡上皮干細胞才能修復。新生肺泡上皮干細胞從何而來？能否人為調(diào)控并用于疾病治療？
近日，國際學術(shù)期刊《細胞》在線發(fā)表了中國科學院大學杭州高等研究院生命與健康科學學院、中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心研究員周斌課題組的最新成果。研究通過開發(fā)一系列細胞示蹤新技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了成體肺臟中新生肺泡上皮干細胞的再生起源，為特發(fā)性肺纖維化、肺炎、慢性阻塞性肺疾病等肺臟疾病的臨床治療提供了新治療靶點和重要研究基礎(chǔ)。
兩個“關(guān)鍵詞”檢索目標細胞
如果將呼吸系統(tǒng)比作一棵樹，氣管就是樹干，支氣管則是樹枝。細支氣管末端的肺泡就像樹梢上的花，其中不同類型的上皮細胞暗藏玄機。
肺泡上皮主要由Ⅰ型肺泡上皮細胞和Ⅱ型肺泡上皮細胞構(gòu)成，分別起到指揮氣體交換和維持肺泡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用。Ⅱ型肺泡上皮細胞是肺泡上皮主要干細胞，在肺臟受損后，它不僅可以自我增殖，還可以轉(zhuǎn)化成Ⅰ型肺泡上皮細胞。
“Ⅱ型肺泡上皮細胞衰老和減少，可能會造成肺部纖維化、慢性阻塞性肺疾病等。”周斌說，關(guān)于Ⅱ型肺泡上皮細胞的起源有多種說法。有研究認為，Ⅰ型肺泡上皮細胞也能轉(zhuǎn)化成Ⅱ型。還有研究認為，在細支氣管中的棒狀細胞與細支氣管和肺泡交界處的支氣管肺泡干細胞，都可以逐漸遷移到肺泡組織中，形成Ⅱ型肺泡上皮細胞。
周斌解釋，這些關(guān)于Ⅱ型肺泡上皮細胞起源的研究發(fā)現(xiàn)，都基于單個基因標記的細胞示蹤技術(shù)。這項技術(shù)就是將單重組酶系統(tǒng)設(shè)計到小鼠基因組上，追蹤肺臟中某一上皮細胞類型，觀察它的命運轉(zhuǎn)變，研究其子代細胞的分化和增殖情況。
研究發(fā)現(xiàn)，之前追蹤Ⅰ型肺泡上皮細胞和棒狀細胞的單基因標記技術(shù)，都存在對靶細胞標記精準度低的問題。“比如Cre-loxP重組酶系統(tǒng)，不僅會標記Ⅰ型肺泡上皮細胞，也會少量標記棒狀細胞和支氣管肺泡干細胞，乃至Ⅱ型肺泡上皮細胞。”周斌告訴記者，標記不精準，會干擾最終的研究結(jié)果，導致這些發(fā)現(xiàn)一直存在科學爭議。
“簡單來說，用單個基因標記，就像是在搜索引擎中輸入一個關(guān)鍵詞。如果同時用兩個關(guān)鍵詞去搜索，得到的信息就是分別用兩個關(guān)鍵詞單獨檢索的信息的交集，結(jié)果肯定會更加準確。”周斌說。
2017年，周斌課題組首次開發(fā)出雙基因標記介導的細胞示蹤技術(shù)。此后，課題組持續(xù)精選可用于標記細胞的“關(guān)鍵詞”，開發(fā)了一系列細胞示蹤技術(shù)。相比單個基因標記，新技術(shù)大大提高了對目標細胞標記精準度。
找到調(diào)控細胞“變身”信號通路
究竟是哪種細胞在肺泡受損時轉(zhuǎn)變?yōu)棰蛐头闻萆掀ぜ毎瑓⑴c維持肺泡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定？如果明確具體對象和機制，科研人員在應(yīng)對肺部疾病時就能掌握更多主動權(quán)。
在此次研究中，課題組準確追蹤了棒狀細胞、支氣管肺泡干細胞、Ⅰ型和Ⅱ型肺泡上皮細胞，為它們打上特異性標記。結(jié)合小鼠肺臟損傷模型，他們發(fā)現(xiàn)，Ⅱ型肺泡上皮細胞除了自我增殖外，還來源于支氣管肺泡干細胞和棒狀細胞，而不會來源于Ⅰ型肺泡上皮細胞，解決了相關(guān)研究領(lǐng)域多年的爭議。
“我們對標記的細胞進行體外分選、單細胞測序之后，觀察了它們內(nèi)部信號通路的變化。”論文共同第一作者、中國科學院大學杭州高等研究院生命與健康科學學院副研究員劉擴介紹，他們觀察到其中有條Notch信號通路，在細胞轉(zhuǎn)變過程中反應(yīng)明顯。
論文共同第一作者、中國科學院分子細胞卓越中心博士生劉子鑫說，這些細胞中，每個細胞能測出2000到3000個基因，細胞通路很復雜，一個基因可能參與多條通路。課題組優(yōu)先篩選了100條通路，再從中選出Notch信號通路，在小鼠體內(nèi)對Notch信號通路進行了敲除對比試驗，驗證它的功能。
課題組創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)了棒狀細胞和支氣管肺泡干細胞在向Ⅱ型肺泡上皮細胞轉(zhuǎn)變的過程中，具有不同的細胞分化路徑，并受Notch信號通路調(diào)控。Notch信號通路被抑制后，會減少棒狀細胞向Ⅱ型肺泡上皮細胞轉(zhuǎn)分化，反之則會促進支氣管肺泡干細胞向Ⅱ型肺泡上皮細胞轉(zhuǎn)分化。
“雙基因標記介導的細胞示蹤技術(shù)可以廣泛用于器官發(fā)育和再生研究，為發(fā)育生物學、再生醫(yī)學、遺傳學等眾多領(lǐng)域研究提供了新技術(shù)方法。”周斌說，未來或許能通過特定藥物刺激Notch信號通路，控制氣管肺泡干細胞轉(zhuǎn)分化，維持肺泡功能，從而治療肺臟疾病。
