在某些方面，我们的身体就像汽车一样——为了保持运转，它们需要定期检查和修理。就我们的身体而言，任何受损或死亡的细胞都需要被替换，以保持器官的功能。这种替换的发生要归功于组织内的成体干细胞。胚胎干细胞可以在体内形成任何类型的细胞，而成体干细胞只能形成其所属组织中存在的细胞类型。但是组织特异性干细胞是如何知道产生哪种类型的细胞的呢?Gabriele Colozza是IMBA Bon-Kyoung Koo实验室的博士后研究员，现任韩国基础科学研究所基因组工程中心主任，他决定用肠道干细胞来研究这个问题。
肠道——一个持续不断的建筑工地
“在我们的肠道中，细胞暴露在极端条件下，”科洛扎解释说。机械磨损、消化酶和pH值的变化都会影响肠细胞。接着，肠黏膜中的干细胞分化形成新的肠细胞。“受损细胞必须被替换，但这是干细胞更新和分化成其他细胞类型之间的微妙平衡:不受控制的干细胞增殖可能导致肿瘤形成;另一方面，如果太多的干细胞分化，组织就会耗尽干细胞，最终无法自我更新。”
这种平衡是通过信号通路和反馈回路微妙地调节的，它们允许细胞之间相互交流。其中一个重要的通路叫做Wnt。众所周知，Wnt通路在胚胎发育中的作用，如果不加以控制，过度活跃的Wnt通路可能导致过度的细胞分裂和肿瘤的形成。
分子伴侣确定
一个众所周知的Wnt信号拮抗剂——控制Wnt——是Rnf43，它最初是由Bon-Kyoung Koo发现的。在此研究之前，已知Rnf43靶向Wnt受体frizzed并标记其降解。“我们想知道Rnf43是如何工作的，以及反过来是什么控制Rnf43并帮助它调节Wnt信号。”从早期的研究中，科学家们知道Rnf43本身并不足以分解位于质膜中的Wnt受体frizzed。“在我们的项目中，我们使用生化分析来确定哪些蛋白质与Rnf43相互作用。”Rnf43的一个关键伙伴被证明是蛋白质Daam1。
为了了解Daam1如何调节Rnf43并影响其作用的组织，cololozza转向肠道类器官。“我们发现Daam1是Rnf43激活所必需的，因此Rnf43完全可以调节Wnt信号。在细胞中的进一步研究表明，Rnf43需要Daam1才能将Wnt受体移动到称为核内体的囊泡中。从核内体，frizzzed被运送到溶酶体，在那里它被降解，抑制Wnt信号。”
肠道类器官是由成人肠道干细胞培养的三维细胞，使研究人员能够模拟肠道粘膜。对于Colozza来说，类器官是一个了解Rnf43和Daam1如何影响肠道干细胞更新和分化的微妙平衡的机会。“我们发现，当我们敲除Rnf43或Daam1时，类器官会长成肿瘤样结构。这些类似肿瘤的类器官会继续生长，即使我们去除它们通常依赖的生长因子，比如R-spondin。”
打开Paneth细胞形成
当Colozza在小鼠组织中追踪这一结果时，研究人员感到惊讶。“当Rnf43缺失时，肠道长出肿瘤——正如预期的那样。但是当Daam1缺失时，肿瘤就不会生长。我们对这种显著的差异感到困惑:在类器官中行为相似的相同途径中因素的缺失，怎么会导致如此不同的结果?”
Colozza仔细观察了肠道，发现缺乏Rnf43的肠道充满了一种特殊类型的分泌细胞，即Paneth细胞。另一方面，缺乏Daam1的肠道则没有额外的潘氏细胞。Paneth细胞分泌生长因子，如Wnt，刺激细胞分裂。“Daam1对于Paneth细胞的有效形成是必需的。当Daam1激活时，干细胞分化形成Paneth细胞。当Daam1不活跃时，干细胞会分化成另一种细胞类型。”
肿瘤通过改变它们的生态位来生长
分子结果和Paneth细胞之间的这种联系解释了肠道和类器官之间令人费解的差异。“在类器官培养中，我们的科学家提供了生长因子，因此敲除Rnf43和Daam1会导致类似肿瘤的类器官。但在肠道中，没有小科学家提供生长因子。相反，Paneth细胞提供生长因子，如Wnt，并为干细胞的生存和分裂创造合适的条件。当Paneth细胞缺乏时——比如Daam1不活跃，无法驱使细胞变成Paneth细胞——干细胞就不会分裂太多。但当Paneth细胞过多时——比如肠道中缺乏Rnf43——过量的生长因子会导致肿瘤的形成。”
Colizza和同事的研究首次从遗传学角度证明了非典型Wnt通路的成员Daam1对指定Paneth细胞很重要，并直接参与了这种关键分泌细胞的发育。研究结果还揭示了干细胞生态位的重要性。“我们发现肿瘤细胞会改变它们的微环境，并影响它们的支持环境，从而使它们能够更好地生长。”
Journal Reference:
Gabriele Colozza, Heetak Lee, Alessandra Merenda, Szu-Hsien Sam Wu, Andrea Català-Bordes, Tomasz W. Radaszkiewicz, Ingrid Jordens, Ji-Hyun Lee, Aileen-Diane Bamford, Fiona Farnhammer, Teck Yew Low, Madelon M. Maurice, Vítězslav Bryja, Jihoon Kim, Bon-Kyoung Koo. Intestinal Paneth cell differentiation relies on asymmetric regulation of Wnt signaling by Daam1/2. Science Advances, 2023; 9 (47) DOI: 10.1126/sciadv.adh9673
