2023年12月13日，华中科技大学郭峥教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Developmental Cell上以“Eclosion muscles secrete ecdysteroids to initiate asymmetric intestinal stem cell division in Drosophila”为题发表研究论文。该论文报道了果蝇蛹期的出蛹肌肉DIOM通过分泌蜕皮激素ecdysone起始肠道干细胞不对称分裂的最新研究成果。华中科技大学基础医学院医学遗传学系博士生张松为论文第一作者。郭峥教授为通讯作者。
干细胞通过对称分裂扩增干细胞数目，通过不对称分裂产生终末分化的子代细胞。在哺乳动物胚胎和器官的发育过程中，干细胞总是先进行对称分裂形成干细胞池，再通过不对称分裂产生有功能的子代细胞。例如小鼠肠道发育中，胚胎期的肠道干细胞经过数轮对称分裂后再进行不对称分裂，形成有功能的肠道组织。另外在小鼠大脑发育过程中，神经干细胞先通过对称分裂扩增数目，然后转变为不对称分裂，产生不同类型的次生神经祖细胞和神经元。最佳控制论（optimal control theory）认为干细胞的这种先对称后不对称的分裂方式可以在最短的时间内形成有功能的组织和器官。因此，干细胞由对称分裂到不对称分裂的转变时间点是至关重要的。转变发生过早会导致干细胞数目不足，难以在有限时间内产生有功能的组织；而转变时间过晚会导致干细胞的过度增殖和子代细胞的匮乏。然而，这个干细胞由对称分裂转为不对称的分子开关是什么？控制这个分子开关的时间在发育的过程中是如何被决定的？人们对这些问题都知之甚少。
在本项研究中，作者利用果蝇蛹期肠道作为研究模型，探索启动肠道干细胞由对称分裂转向不对称分裂的信号。作者利用清华大学果蝇中心的8645株RNAi，通过在pISC中进行全基因组RNAi筛选，发现EcR（EcR receptor）、usp（ultraspiracle）和E93（Ecdysone induce protein 93F）这三个蜕皮激素通路 (ecdysone signaling) 基因的敲降能显著减少出蛹前中肠中EECs的数量，说明蜕皮激素信号通路起始了pISCs的不对称分裂。
作者发现，EcR与Usp作为蜕皮激素的受体，直接启动染色体重塑因子E93的转录表达。那么E93是如何起始的pISCs不对称分裂？作者把目光集中到ecdysone信号下游的重要靶点Broad (Br) 。Br在蛹初始形成时在肠道表皮有高表达，但是随蛹的发育表达逐渐降低，在pISCs开始不对称分裂时Br表达消失（图1A），这些结果提示没有Br的表达对于pISCs开启不对称分裂至关重要，而E93关闭了Br的表达。通过一系列遗传学实验，作者总结出蜕皮激素信号启动pISC不对称分裂的分子机制为：EcR/usp通过激活E93关闭Br，使得本被Br抑制的AC-S蛋白复合体和其下游转录因子Pros被表达出来，开启pISCs的不对称分裂产生EECs（图1C）。
图1 ecdysone开启不对分裂的机制
A，44h APF时pISCs开始不对称分裂，此时Br不在肠道中表达。B，在pISCs中敲低Br导致EECs提前产生。C，ecdysone信号起始pISCs不对称分裂的分子机制。
蜕皮激素是如何使得果蝇在44 h APF这个精确的时间点开启pISC不对称分裂？ 50年前人们发现完全变态昆虫中蜕皮激素浓度最高峰（脉冲）出现在蛹期的中间时间点，果蝇的蜕皮激素脉冲出现在40 h APF。作者发现果蝇pISC在经历蜕皮激素脉冲后，随即开启不对称分裂（图2A），于是猜测开启不对称分裂的时间点是由蜕皮激素在蛹期的脉冲所决定。通过全身性的敲低蜕皮激素合成酶Spookier (Spok) 和Phantom (Phm)后，蜕皮激素在40 h APF的脉冲浓度显著降低，EEC的产生明显减少（图2B）。说明果蝇蛹期合成的蜕皮激素脉冲可以起始pISC的不对称分裂。
那么蛹期的蜕皮激素脉冲从哪里来的呢？这是一个困扰研究人员将近百年之久的问题。果蝇在幼虫期合成蜕皮激素的器官是前胸腺 (PG)。作者发现在蛹期的PG中敲降蜕皮激素合成酶并不会显著影响蜕皮激素脉冲的形成，说明在蛹期除PG外还有关键的蜕皮激素来源。作者将T2A-Gal4这个驱动元件通过CRISPR/Cas9技术原位插入到蜕皮激素合成酶phm的编码序列 3’端后，发现Phm除在PG表达外，还在蛹期的腹部背侧内斜肌 (DIOM) 中大量表达，提示脉冲的关键组织来源为DIOM （图2 C）。随后，一系列的遗传和体外培养实验充分的证明了DIOM在蛹期产生了蜕皮激素的脉冲。
图2 蛹期ecdysone主要来源于DIOMs
A，在蜕皮激素高浓度峰后，肠道开始不对称分裂产生EECs。B ，敲低spok和phm两个蜕皮激素合成酶，会抑制肠道EECs产生。C，蛹期phm在PG和DIOMs中表达。
DIOMs是果蝇在蛹期将幼虫肌肉重塑成熟后，用来让果蝇出蛹的一组肌肉。作者发现mTOR信号调控DIOM的重塑，抑制mTOR后DIOM无法重塑导致蜕皮激素脉冲消失；激活mTOR后DIOM重塑时间提前，脉冲产生的时间提前。这些结果表明蜕皮激素脉冲是在DIOM重塑过程中产生。DIOM经过重塑成熟后不再分泌蜕皮激素，帮助果蝇在羽化时出蛹，在出蛹后一天内降解。
综上所述，作者发现来源于DIOM的果蝇蜕皮激素脉冲将pISC由对称分裂切换到不对称分裂。解决了百年来完全变态昆虫在蛹期的蜕皮激素信号来源问题。DIOM作为负责执行出蛹的肌肉组织，其在mTOR信号通路下的重塑成熟过程，像一个发育时钟，通过给予其他器官组织以类固醇激素信号，精确调控机体各个器官发育进程。由于蜕皮激素受体Usp与哺乳动物视黄醇X受体 (RXRs) 同源，作者猜测哺乳动物中视黄酸通路 (retinoid signaling) 调控干细胞由对称分裂向不对称分裂的转变。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2023.11.016
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