Nature | 单细胞测序发现一类新的肠道干细胞

来源：BioArt

小肠上皮是形成小肠内膜的细胞层，由隐窝和绒毛两部分组成，是哺乳动物体内更新速度最快、最具活力的组织之一【1】。由于其快速的自我更新能力和简单的生理结构，目前已经成为哺乳动物成体干细胞研究的模式系统【2】。

小肠上皮的更新主要受位于隐窝底部的多能性LGR5+（leu-rich-repeat-containing G-proteincoupled receptor 5+）隐窝基部柱状细胞（crypt-base columnar cells, CBCs）驱动。CBCs在受到辐射等损伤刺激后会发生丢失，此时另一类处于静止状态的‘+4’位细胞，即储备干细胞（reserve stem cells, RSCs）会激活并促进损伤小肠的再生【3】。早期研究认为CBCs和RSCs是互斥的，后续研究发现LGR5+ CBCs会表达RSCs标记物，LGR5+细胞对于损伤小肠的修复是必需的，而RSCs在此过程中并非不可或缺【4】。此外，吸收性肠细胞、分泌细胞和慢循环LGR5+细胞以及YAP1等转录因子均在小肠再生过程中发挥了重要作用。

2019年4月25日，加拿大西奈山医院的Alex Gregorieff和Jeffrey L. Wrana领导的团队在 Nature 上发文Single-cell transcriptomes of the regenerating intestine reveal a revival stem cell，发现了一类独特的干细胞，其会在小肠受损伤后激活以维持干细胞池稳态并促进小肠上皮再生。

为揭示小肠上皮再生的内在机理，作者将小鼠暴露于12Gy辐射，三天后对小肠上皮细胞进行单细胞转录组测序（图1a）。辐射刺激后，90%的LGR5+ CBCs丢失，lgr5high细胞完全检测不到，潘氏细胞（Paneth cells, PCs）和杯状细胞均受到抑制，而簇状细胞和隐窝相关免疫细胞数量增加。肠内分泌细胞（enterocytes, ECs）受辐射刺激后不仅数量增加，表型和定位也发生了改变，小肠再生过程中ECs会向后期分化状态转移，并伴随着其亲本LGR5+ CBCs的丢失。

图1  辐射刺激会在小肠上皮诱导产生一类独特的细胞类型

干细胞动力学分析显示，CBC信号位于富集的隐窝中，并被映射到第17簇（singly profiled stem cell cluster 1, SSC1）；+4位和/或RSC标记物Bmi1和Hopx在多个簇中表达；而标记物Lrig1在少数分散细胞中表达量较高，在SSC1中表达水平较低。与这些单一标记物不同，第18簇（SSC2）几乎完全由受辐射的隐窝细胞组成，并能通过一些参与炎症反应、DNA损伤反应和细胞存活相关基因的表达来区分（图1b）。进一步分析SSC2的组成结构发现其包括3个不同的细胞群，即SSC2a、SSC2b和SSC2c（图1c）。SSC2a具有明显的SSC1特征并与CBCs有关，SSC2b核糖体基因表达较高，SSC2c是一个静止的细胞群，表达标记物Clu、Anxa1、Cxadr和Basp1等（图1d）。Clu编码一种与细胞存活有关的应激反应蛋白，Clu高表达是SSC2c亚群独有的，这与表达Lgr-和ascl2的CBC样SSC2a亚群细胞不同。

作者随后构建了BAC-Clu-GFP转基因小鼠以标记内源性Clu+细胞，结合免疫组化和流式细胞检测，证明CLU+ SSC2c细胞在正常生理状态下数量稀少，是一种受肠道损伤诱导的独特的静止隐窝细胞，且具有YAP-1依赖性。在肠道干细胞更新稳态维持过程中，CLU+细胞能在时间层次上产生LGR5+ CBCs和分化的子代细胞。辐射刺激后，CLU+ SSC2c能促进LGR5+干细胞池的重新形成。CLU+ SSC2c细胞具有独特的表型，可重组LGR5+细胞使隐窝复活，作者将这些细胞称为肠再生干细胞（revival stem cell, revSC）。

作者构建了小肠上皮revSC缺陷型Cluless小鼠模型，辐射处理后Cluless小肠上皮细胞增殖受阻，小肠隐窝数量和长度降低，结肠缩短，这与YAP1敲除导致的再生缺陷类似。右旋糖酐硫酸钠（dextran sodium sulfate, DSS）处理会诱导小鼠肠道损伤，诱发小鼠产生肠炎，体重降低【5】。野生型小鼠DSS处理后，体重减轻等症状经治疗可逐渐恢复，而Cluless小鼠体重会持续减轻并很快死亡。未经处理的Cluless小鼠小肠与野生型相似，而DSS处理会导致隐窝数量和长度降低，上皮层破坏，还会特异性导致小肠绒毛脱落。谱系追踪实验证明，在急性和慢性DSS结肠炎模型中，CLU+ revSCs的子代细胞是肠上皮再生的主要贡献者。

综上所述，本研究发现了一类新的小肠干细胞——revSCs，revSCs是一种缓慢循环的细胞类型，受YAP1信号调控后出现在受损的肠道中，以重建LGR5+ CBCs干细胞池，促进肠道再生。因此，损伤引起的revSCs扩增可能是小肠损伤修复的关键机制。