Dev Cell： 被遗忘的细胞器——过氧化物酶体调控干细胞分化及肠道上皮修复

来源：BioArt

炎症性肠病（IBD）是一种复杂、持久而又反复发作的肠道疾病，其中溃疡性结肠炎（UC）和克罗恩病（CD）是两种最普遍的表现形式【1】。IBD患者的肠粘膜特征性的表现为上皮损伤和粘膜愈合的连续周期发生，从而极大地损害了患者的生活质量【2】。目前，全球IBD的发病率不断攀升。在西方白人人群中，IBD的患病率已接近0.5％【3】。

目前，IBD的确切发病机理仍然不清楚。针对IBD的治疗手段主要是为了减轻患者的相关症状，这些治疗措施很难彻底治愈IBD患者。大约50％的CD患者和16％的UC患者在最初诊断后的10年内仍需要手术治疗【4】。

目前一系列临床研究表明，肠黏膜的完全再生（又被称为“mucosal healing”）能够更好的治疗IBD【5】。在哺乳动物肠道中，位于上皮隐窝底部的多能肠道干细胞（ISC）能够通过分化为多个上皮后代来修复受损的上皮。因此，更好地理解ISC介导的上皮修复的细胞和分子机制，不仅可以洞悉IBD的病因，而且可以为IBD的治疗提供依据。

由于常被视为线粒体的辅助细胞器或者功能冗余细胞器，过氧化物酶体（peroxisome）虽然早在60多年前就被发现广泛存在于真核细胞中，其生理功能的研究却常被人忽视和遗忘。在众多的细胞器中，过氧化物酶体是具有很强的可塑性。其能够响应环境刺激改变内部组成、数目和形态【6】。在体外培养的细胞体系中，过氧化物酶体被发现与包括线粒体、内质网、脂质滴和溶酶体在内细胞器进行动态通讯，以执行特定功能。过氧化物酶体相关基因突变会导致人类多种严重的发育缺陷疾病，包括Zellweger综合征、婴儿型Refsum综合征及肾上腺脑白质营养不良等。然而，目前人们对过氧化物酶体在动物体内的具体生理和病理功能的仍知之甚少。

2020年4月2日，来自中山大学生命科学学院的陈海洋教授实验室（目前，陈教授已经将实验室迁至四川大学华西医院，共同一作为陈教授组博士生杜刚、中山大学附属第一医院主任医师熊理守和中山大学生命科学院硕士研究生李晓荣）在Developmental Cell杂志上在线发表了题为Peroxisome elevation induces stem cell differentiation and intestinal epithelial repair的研究长文，发现在果蝇、小鼠和人类的肠粘膜受损后，ISC中的过氧化物酶体会迅速增加并发生一系列变化，促进ISC的分化产生新的肠上皮细胞（EC），进而促进肠粘膜的损伤修复。

通过分析人类IBD患者样本，作者发现UC和CD患者结肠隐窝中过氧化物酶体明显增多。这种损伤后干细胞中体明显增多的现象引起了作者的注意，驱使作者探究过氧化物酶体是否会参与调控干细胞介导的肠上皮损伤修复过程。由于果蝇肠道模型是研究人类肠道的经典模型。作者观察了果蝇肠道损伤修复过程，相似地，作者发现果蝇ISC中过氧化物酶体在肠道损伤修复的过程中出现明显的先增多后减少的变化（图1），这一现象暗示了过氧化物酶体在该过程中扮演角色。

 图1：损伤诱导果蝇干细胞中过氧化物酶体增殖

通过敲除过氧化物酶体膜蛋白（PEX2及PEX10）来破坏过氧化物酶体功能，作者发现在正常情况下，过氧化物酶体功能缺陷并不会影响ISC的维持及正常分裂。在没有外界损伤刺激的情况下，过氧化物酶体功能缺陷的果蝇能形成几乎正常的肠道并维持其大致的稳态。然而，当肠上皮受到损伤后过氧化物酶体功能缺陷的果蝇却不能够像野生型果蝇一样完成对肠上皮的修复，反而是导致肠道中聚集大量未分化的“类干细胞”（图2）。

 图2：破坏过氧化物酶体功能导致干细胞无法分化为成熟的肠上皮细胞

为探究过氧化物酶体调控ISC分化的具体机制，作者分离出损伤修复出生各阶段的过氧化物酶体并进行质谱分析。作者发现，损伤发生后野生型果蝇过氧化物酶体内部或表面新增加270多种蛋白质与其结合。而在过氧化物酶体功能缺陷的果蝇中该现象去没有发生。通过分析这些损伤发生后瞬时与过氧化物酶体直接相互作用的蛋白，作者发现了大量与内吞（endocytosis）相关的蛋白。追踪这一现象，作者发现损伤发生后过氧化物酶体可以通过促进RAB7依赖的晚期内体的成熟来促进内吞作用。这种內吞作用进而激活了Janus tyrosine Kinase（JAK）- Signal Transducer and Activator of Transcription (STAT)信号通路及其下游效应分子SOX21A转录调控因子。该信号通路的激活最终导致ISC分化并修复受损的肠道上皮（图3）。在溃疡性结肠炎模型小鼠和IBD患者中，作者也观察到了类似的作用机制。

 图3：损伤诱导的过氧化物酶体增加促进ISC分化及肠道上皮再生

上述研究证明，过氧化物酶体对于ISC在受伤后产生EC是必不可少的。随后，作者想知道人为的促进过氧化物酶体的增加是否可以相应地促进肠上皮修复。通过给肠损伤果蝇喂食苯丁酸钠（NaPB；一种通过诱导PEX11表达来促进过氧化物酶体增殖并被人们用于从尿素循环障碍患者的血液中清除氨的小分子药物）或过表达PEX11C（该蛋白能促进过氧化物酶体分裂），作者发现增加过氧化物酶体数目可以显著缩短果蝇损伤修复所需的时间并促进果蝇在在慢性损伤刺激下的存活能力。随后作者利用小鼠进一步验证了NaPB和通过过氧化物酶体增殖物激活受体α介导的机制促进过氧化物酶体增殖的小分子药物非诺贝特，发现这两种药都能够促进小鼠隐窝中过氧化物酶体增殖，并加速DSS诱导的结肠炎小鼠的肠上皮修复。作者的这一发现，为干细胞的损伤修复提供了新的机制，也为IBD患者的治疗提供了新的方法。

总的来说，本研究有以下重要发现：首先，损伤能够诱发从果蝇到人类肠道干细胞中过氧化物酶体数目及内容物的增加；其次，损伤诱导的过氧化物酶体动态变化是促进果蝇肠道干细胞分化所必需的；再者，过氧化物酶体能够调控RAB7依赖的晚期内体成熟，进而促进干细胞分化；最后，促进过氧化物酶体增殖能够有效促进肠道上皮细胞修复过程。

参考文献