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科研進(jìn)展

周斌、季紅斌、彭廣敦研究組合作發(fā)現(xiàn)肺多能干細(xì)胞參與肺臟再生

來源: 時間:2019-02-20
        2月18日,國際學(xué)術(shù)期刊Nature Genetics在線發(fā)表了中國科學(xué)院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所周斌研究組、季紅斌研究組以及中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院彭廣敦研究組的合作科研成果“Lung regeneration by multipotent stem cells residing at the bronchioalveolar duct junction”。該研究利用雙同源重組系統(tǒng)(Cre-loxP 和Dre-rox)發(fā)現(xiàn)位于支氣管肺泡交界處的肺支氣管肺泡干細(xì)胞具有多種肺上皮細(xì)胞分化的潛能,并結(jié)合多種小鼠損傷模型揭示了這群干細(xì)胞在體內(nèi)具有再生肺臟的能力,為肺臟的修復(fù)和再生研究提供了新的研究方向及理論基礎(chǔ)。
 
        肺作為一個復(fù)雜的多功能器官,對人類生存至關(guān)重要。肺臟自近端到遠(yuǎn)端包括氣管、支氣管、小支氣管和肺泡等結(jié)構(gòu),對氣體交換和抵御病原體入侵至關(guān)重要。這些不同位置的結(jié)構(gòu),其上皮細(xì)胞的類型也不同。在小鼠的氣管和大支氣管中,肺上皮細(xì)胞包括纖毛細(xì)胞(ciliated cell)、棒狀細(xì)胞(club cell)、杯狀細(xì)胞(goblet cells)和未分化的基底細(xì)胞(basal cell)。小支氣管上皮細(xì)胞類型包括纖毛細(xì)胞、棒狀細(xì)胞和神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞(neuroendocrine cell)。肺泡上皮細(xì)胞主要包括I型肺泡上皮細(xì)胞(alveolar type 1 cell, AT1 cell)和II型肺泡上皮細(xì)胞(alveolar type 2 cell, AT2 cell)。這些類型的細(xì)胞對維持肺穩(wěn)態(tài)、功能和促進(jìn)肺損傷修復(fù)非常重要。不同位置的上皮細(xì)胞能維持并修復(fù)各自區(qū)域的上皮層,文獻(xiàn)報道basal cells,club cells和AT2 cells能分別維持并修復(fù)氣道、支氣管和肺泡處的損傷。有的上皮細(xì)胞具有更強(qiáng)大的分化能力,有研究發(fā)現(xiàn)在流感病毒引起的肺損傷修復(fù)過程中,P63+Krt5+ basal cell能分化為club cell、AT1和AT2 cell。還有研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)去除basal cell后,上皮細(xì)胞club cell能再去分化為basal cell以響應(yīng)肺損傷修復(fù)。除了以上這些干細(xì)胞類型,近年來還有一種新的可能存在的肺干細(xì)胞被提出,它位于小支氣管與肺泡交界處bronchioalveolar duct junctions, BADJs),共表達(dá)club cell分子標(biāo)記Secretoglobin1a1 (Scgb1a1 or CC10) 和AT2 cell分子標(biāo)記Surfactant Protein C (Sftpc or SPC),被稱為支氣管肺泡干細(xì)胞(bronchioalveolar stem cells, BASCs)。以往的研究通過抗體染色、細(xì)胞分選、類器官培養(yǎng)等體外方法研究BASCs的功能,而BASCs缺乏獨(dú)特的分子marker,作為一種新的肺多能干細(xì)胞在體內(nèi)肺損傷修復(fù)中承擔(dān)什么角色一直存在爭論,傳統(tǒng)的譜系示蹤技術(shù)并不支持BASCs的存在以及參與肺修復(fù)再生的功能。
 
        為了解決這一問題,研究人員利用基于Cre-loxP和Dre-rox雙同源重組的報告基因小鼠R26-RSR-LSL-tdTomato,并結(jié)合能特異性標(biāo)記CC10+細(xì)胞的Scgb1a1-CreER小鼠和特異性標(biāo)記SPC+細(xì)胞的Sftpc-DreER小鼠,通過交配獲得Scgb1a1-CreER;Sftpc-DreER; R26-RSR-LSL-tdTomatoBASCs tracer)三基因型小鼠來特異性標(biāo)記CC10+SPC+ BASCs。通過體內(nèi)驗(yàn)證,證明此策略能特異性地標(biāo)記示蹤BASCs。結(jié)合支氣管損傷(Naphthalene誘導(dǎo))和肺泡損傷(Bleomycin誘導(dǎo))兩種模型,研究人員發(fā)現(xiàn),在支氣管損傷后BASCs能分化為支氣管上皮club cell和ciliated cell,而在肺泡損傷后BASCs又能分化為肺泡上皮AT2和AT1 cell,證明了BASCs的分化多能性。同時,研究人員構(gòu)建了一種新的基于雙系統(tǒng)并用于克隆分析的新報告小鼠R26-Confetti2,通過克隆分析在單個細(xì)胞水平上揭示了BASCs的多向分化潛能。進(jìn)一步,研究人員還通過對BASC進(jìn)行深度單細(xì)胞RNA測序分析,鑒定出了新的BASCs特征性分子,揭示了BASC在轉(zhuǎn)錄組圖譜上位于club cell和AT2 cell之間,并發(fā)現(xiàn)BASCs內(nèi)部也具有一定的異質(zhì)性,反映了其向不同潛能分化的干細(xì)胞特征。體內(nèi)肺多能干細(xì)胞BASCs的發(fā)現(xiàn)以及其分化功能的鑒定將為肺疾病治療方法、肺臟的損傷修復(fù)以及再生醫(yī)學(xué)研究提供新的思路。
 
        周斌研究員,季紅斌研究員,彭廣敦研究員為該論文共同通訊作者。周斌組博士后劉巧珍,博士生劉擴(kuò),景乃禾研究組博士生崔桂忠為該論文共同第一作者。該研究得到了生化細(xì)胞所的景乃禾研究員和曾藝研究員、暨南大學(xué)的蔡冬青教授和田雪瑩教授、阜外醫(yī)院的胡盛壽教授和聶宇教授、交通大學(xué)的黃荷鳳教授和任濤教授、奉賢區(qū)中心醫(yī)院的喬增勇主任等大力支持,同時得到中國科學(xué)院、國家基金委、國家科技部、上海市科委等資助。
 
        文章鏈接

        肺多能干細(xì)胞BASCs能夠促進(jìn)肺損傷修復(fù)再生。利用BASCs-tracer可以特異性標(biāo)記并示蹤C(jī)C10+SPC+ BASCs。在支氣管損傷后,BASCs能分化為支氣管上皮club cell、ciliated cell,而在肺泡損傷后BASCs能分化為肺泡上皮AT2和AT1 cell。

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