Nature文獻(xiàn)解讀：KRT13-CreER driver小鼠助力揭開氣道小丘的神秘面紗
氣道小丘是肺部組織中的神秘結(jié)構(gòu)。之所以命名為小丘（hillocks），是因為基底干細(xì)胞不斷生成細(xì)胞，在組織表面形成了一個個山丘樣的結(jié)構(gòu)。與典型的基底干細(xì)胞不同，這些干細(xì)胞表達(dá)鱗狀細(xì)胞標(biāo)志物基因Krt13。然而，氣道小丘的具體功能仍不清楚。
麻省總醫(yī)院領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊近日深入鑒定了氣道小丘的功能。他們發(fā)現(xiàn)，小丘基底干細(xì)胞能不斷補(bǔ)充表面上覆蓋的鱗狀屏障細(xì)胞。此外，由于小丘鱗狀細(xì)胞能夠保護(hù)下層的基底干細(xì)胞免受損傷，小丘結(jié)構(gòu)對各種嚴(yán)重?fù)p傷具有廣泛的抵抗力。在氣道損傷后，這些基底干細(xì)胞能重新覆蓋氣道表面，再生出正常的氣道上皮細(xì)胞。
這篇題為“Airway hillocks are injury-resistant reservoirs of unique plastic stem cells”的論文于2024年5月1日發(fā)表在《Nature》雜志上，重塑了我們對氣道上皮再生的認(rèn)識。
研究材料與方法
在這項研究中，研究人員使用了多個小鼠模型進(jìn)行譜系追蹤，其中KRT13-CreER driver小鼠由賽業(yè)生物提供。他們利用單細(xì)胞RNA測序?qū)π∏鹕掀ず图俜謱由掀みM(jìn)行了分析，并采用多個損傷模型來評估小丘結(jié)構(gòu)對損傷的抵抗力，包括萘損傷模型。他們還開展了氣管移植培養(yǎng)，并采用共聚焦顯微鏡和雙光子顯微鏡來觀察培養(yǎng)物。
技術(shù)路線
研究結(jié)果
小丘具有鱗狀管腔細(xì)胞
研究人員發(fā)現(xiàn)，小鼠小丘約占?xì)夤芄芮槐砻娴?.5%。纖毛狀氣道上皮的經(jīng)典特征是假分層，其中所有上皮細(xì)胞都與下層基底膜保持接觸。然而，小丘似乎是真正的分層結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是KRT13的表達(dá)呈梯度變化，管腔細(xì)胞表達(dá)量最高，而基底細(xì)胞表達(dá)量最低（圖1）。
掃描電鏡的圖像分析顯示，小丘符合嚴(yán)格的細(xì)胞分層標(biāo)準(zhǔn)，其管腔細(xì)胞不與基底膜接觸，是真正的鱗狀細(xì)胞（圖1）。讓人驚訝的是，小丘還是稀有細(xì)胞的荒漠，缺乏氣道上皮特有的其他稀有上皮細(xì)胞，包括離子細(xì)胞、簇細(xì)胞和神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞。這些結(jié)果表明，小丘是一種屏障結(jié)構(gòu)，由分層且交錯的鱗狀細(xì)胞組成，它們位于基底干細(xì)胞層之上。
小丘含有不同的基底干細(xì)胞
之后，研究人員利用TRP63-CreER driver對小丘上皮的基底干細(xì)胞進(jìn)行譜系標(biāo)記（Trp63是基底干細(xì)胞的標(biāo)志物基因）。他們發(fā)現(xiàn)，在三周后，整個小丘區(qū)室都被譜系標(biāo)記，表明小丘管腔細(xì)胞即使在穩(wěn)態(tài)期間也會被底層的基底干細(xì)胞迅速取代。
他們之前發(fā)現(xiàn)，小丘管腔細(xì)胞表達(dá)了分泌細(xì)胞的標(biāo)志物Scgb1a1。為了評估Scgb1a1+小丘管腔細(xì)胞是否有別于傳統(tǒng)的分泌細(xì)胞，他們開展了差異基因表達(dá)分析。結(jié)果顯示兩個細(xì)胞群的基因集完全不同。利用KRT13-CreER driver小鼠（由賽業(yè)生物提供），他們發(fā)現(xiàn)小丘管腔細(xì)胞在注射IL-13后沒有分化成杯狀細(xì)胞，與傳統(tǒng)的分泌細(xì)胞不同。
接下來，研究人員將重點(diǎn)放在小丘基底細(xì)胞上，看看它們與假分層的基底干細(xì)胞是否相同。利用與ifgMosaic報告基因小鼠交配的TRP63-CreER driver小鼠，他們對基底干細(xì)胞進(jìn)行了譜系標(biāo)記。三個月后，位于假分層上皮的基底干細(xì)胞產(chǎn)生了小克�。ê胁坏�15個細(xì)胞），而小丘內(nèi)的基底干細(xì)胞產(chǎn)生了大克隆（多達(dá)60個細(xì)胞），表現(xiàn)出大規(guī)模的克隆擴(kuò)增。
由此可見，小丘是一種持續(xù)存在的分層鱗狀組織結(jié)構(gòu)，不包含稀有的上皮細(xì)胞類型。此外，小丘基底干細(xì)胞具有獨(dú)特的增殖能力，低水平表達(dá)與鱗狀細(xì)胞分化相關(guān)的基因。在穩(wěn)態(tài)期間，它們主要生成了快速周轉(zhuǎn)的鱗狀細(xì)胞，對周圍的假分層上皮也有少量貢獻(xiàn)。
小丘能抵御各種損傷
由于小丘中緊密交錯的鱗狀細(xì)胞可以作為物理屏障，研究人員接著評估了小丘抵御各種環(huán)境損傷的能力。將氣管浸泡在鹽酸內(nèi)2分鐘以模擬胃酸吸入后，大部分存活細(xì)胞為小丘細(xì)胞。即使在損傷最嚴(yán)重的小丘中，管腔細(xì)胞已經(jīng)凋亡，但底層的基底干細(xì)胞仍能免受損傷并存活下來（圖2）。除了抵御物理損傷，小丘對流感病毒感染也有顯著的抵抗力（圖2）。
為了確定小丘對組織修復(fù)的貢獻(xiàn)，他們采用了毒性氣道損傷的標(biāo)準(zhǔn)化模型，將小鼠暴露于萘（煙草煙霧毒素）中。他們利用活體成像技術(shù)直接觀察譜系標(biāo)記的基底干細(xì)胞的行為，發(fā)現(xiàn)存活細(xì)胞的分布與小丘的分布一致，且均為KRT13+。在5天時間內(nèi)，存活的細(xì)胞及其后代逐漸重新覆蓋了損傷氣管的表面。到損傷后第10天，KRT13+細(xì)胞遍布?xì)夤苌掀�，并顯示出纖毛逐漸生成的跡象。
為了驗證小丘是否是纖毛上皮的來源，研究人員利用KRT13-CreER driver小鼠對小丘進(jìn)行了譜系標(biāo)記。結(jié)果證實(shí)，覆蓋氣管表面的細(xì)胞來源于小丘。重新覆蓋的上皮表現(xiàn)出可塑性，并轉(zhuǎn)化為纖毛上皮。此外，盡管小丘本身缺乏稀有上皮細(xì)胞，但來源于小丘基底干細(xì)胞的氣道上皮包含所有類型的稀有氣道上皮細(xì)胞。通過dual-ifgMosaic克隆譜系追蹤，他們發(fā)現(xiàn)在萘損傷后存活的基底細(xì)胞能夠大規(guī)模克隆擴(kuò)增，并生成所有六種類型的上皮細(xì)胞。
小丘是鱗狀上皮化生的起源之一
在比較小丘基底細(xì)胞和假分層基底細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組后，研究人員發(fā)現(xiàn)一種用于視黃酸分解的酶（Cyp26b1）在小丘基底細(xì)胞中特異性上調(diào)。在低溫?fù)p傷模型中，當(dāng)視黃酸受體拮抗劑Agn193109存在時，KRT13-CreER譜系標(biāo)記的氣道表面上皮比例明顯增加�；虮磉_(dá)分析表明視黃酸代謝在小丘基底細(xì)胞中的處理方式不同，因此他們推斷，小丘基底細(xì)胞對視黃酸信號抑制更敏感，因為它們已準(zhǔn)備好分解視黃酸。
人類鱗狀上皮化生是在缺乏維生素A的情況下發(fā)生的，表明小丘基底干細(xì)胞對維甲酸信號抑制的功能反應(yīng)可能與病理有關(guān)。研究人員使用了維生素A缺乏誘導(dǎo)的小鼠鱗狀上皮化生模型，發(fā)現(xiàn)小丘斑塊在2個月內(nèi)增大了一倍多。為了確定鱗狀化生性病變是否是小丘擴(kuò)增的結(jié)果，他們進(jìn)行了KRT13-CreER譜系追蹤，發(fā)現(xiàn)鱗狀化生斑塊來源于小丘。這些結(jié)果表明，這種形式的鱗狀上皮細(xì)胞化生是小丘擴(kuò)增的結(jié)果，而不是假分層上皮的化生轉(zhuǎn)化。
人類氣道中含有小丘
最后，研究人員探究了人類是否存在氣道小丘。他們在三個人類供體的肺部發(fā)現(xiàn)了KRT13+纖毛斑塊，這些氣管斑塊與小鼠的斑塊相似。這些纖毛斑塊包含分層的KRT13+鱗狀細(xì)胞和KRT13+基底細(xì)胞（圖3）。通過H&E染色，他們確定這些斑塊為輕度的“儲備細(xì)胞增生”，與小丘基底細(xì)胞的增殖率較高一致。在加入AGN193109后，小丘來源的培養(yǎng)物生成了纖毛狀分層結(jié)構(gòu)。
圖3. 人類的氣道小丘
結(jié)論
這些結(jié)果表明，小鼠和人類小丘是獨(dú)特而稀有的干細(xì)胞庫，對各種損傷具有廣泛的抵抗力。這些干細(xì)胞能夠進(jìn)行大規(guī)�？寺U(kuò)增，重新覆蓋氣道表面，形成臨時屏障上皮，然后表現(xiàn)出可塑性，分化成氣道上皮的所有六種細(xì)胞類型。研究還發(fā)現(xiàn)，小丘是“鱗狀上皮化生”的起源之一，而這被認(rèn)為是鱗狀細(xì)胞癌的前兆。
原文檢索
Lin, B., Shah, V.S., Chernoff, C. et al. Airway hillocks are injury-resistant reservoirs of unique plastic stem cells. Nature 629, 869–877 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07377-1
麻省總醫(yī)院領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊近日深入鑒定了氣道小丘的功能。他們發(fā)現(xiàn)，小丘基底干細(xì)胞能不斷補(bǔ)充表面上覆蓋的鱗狀屏障細(xì)胞。此外，由于小丘鱗狀細(xì)胞能夠保護(hù)下層的基底干細(xì)胞免受損傷，小丘結(jié)構(gòu)對各種嚴(yán)重?fù)p傷具有廣泛的抵抗力。在氣道損傷后，這些基底干細(xì)胞能重新覆蓋氣道表面，再生出正常的氣道上皮細(xì)胞。
這篇題為“Airway hillocks are injury-resistant reservoirs of unique plastic stem cells”的論文于2024年5月1日發(fā)表在《Nature》雜志上，重塑了我們對氣道上皮再生的認(rèn)識。
在這項研究中，研究人員使用了多個小鼠模型進(jìn)行譜系追蹤，其中KRT13-CreER driver小鼠由賽業(yè)生物提供。他們利用單細(xì)胞RNA測序?qū)π∏鹕掀ず图俜謱由掀みM(jìn)行了分析，并采用多個損傷模型來評估小丘結(jié)構(gòu)對損傷的抵抗力，包括萘損傷模型。他們還開展了氣管移植培養(yǎng)，并采用共聚焦顯微鏡和雙光子顯微鏡來觀察培養(yǎng)物。
技術(shù)路線
通過免疫染色、掃描電鏡和譜系追蹤等分析來確定小丘的分層結(jié)構(gòu)
↓
利用多個損傷模型來評估小丘抵御各種環(huán)境損傷的能力
↓
利用萘損傷模型來評估小丘對組織修復(fù)的貢獻(xiàn)
↓
利用小鼠模型確定小丘擴(kuò)增是維生素A缺乏誘導(dǎo)鱗狀上皮化生的原因
↓
利用多個損傷模型來評估小丘抵御各種環(huán)境損傷的能力
↓
利用萘損傷模型來評估小丘對組織修復(fù)的貢獻(xiàn)
↓
利用小鼠模型確定小丘擴(kuò)增是維生素A缺乏誘導(dǎo)鱗狀上皮化生的原因
研究結(jié)果
小丘具有鱗狀管腔細(xì)胞
研究人員發(fā)現(xiàn)，小鼠小丘約占?xì)夤芄芮槐砻娴?.5%。纖毛狀氣道上皮的經(jīng)典特征是假分層，其中所有上皮細(xì)胞都與下層基底膜保持接觸。然而，小丘似乎是真正的分層結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是KRT13的表達(dá)呈梯度變化，管腔細(xì)胞表達(dá)量最高，而基底細(xì)胞表達(dá)量最低（圖1）。
掃描電鏡的圖像分析顯示，小丘符合嚴(yán)格的細(xì)胞分層標(biāo)準(zhǔn)，其管腔細(xì)胞不與基底膜接觸，是真正的鱗狀細(xì)胞（圖1）。讓人驚訝的是，小丘還是稀有細(xì)胞的荒漠，缺乏氣道上皮特有的其他稀有上皮細(xì)胞，包括離子細(xì)胞、簇細(xì)胞和神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞。這些結(jié)果表明，小丘是一種屏障結(jié)構(gòu)，由分層且交錯的鱗狀細(xì)胞組成，它們位于基底干細(xì)胞層之上。
圖1. 小丘是具有鱗狀管腔細(xì)胞的分層結(jié)構(gòu)
小丘含有不同的基底干細(xì)胞
之后，研究人員利用TRP63-CreER driver對小丘上皮的基底干細(xì)胞進(jìn)行譜系標(biāo)記（Trp63是基底干細(xì)胞的標(biāo)志物基因）。他們發(fā)現(xiàn)，在三周后，整個小丘區(qū)室都被譜系標(biāo)記，表明小丘管腔細(xì)胞即使在穩(wěn)態(tài)期間也會被底層的基底干細(xì)胞迅速取代。
他們之前發(fā)現(xiàn)，小丘管腔細(xì)胞表達(dá)了分泌細(xì)胞的標(biāo)志物Scgb1a1。為了評估Scgb1a1+小丘管腔細(xì)胞是否有別于傳統(tǒng)的分泌細(xì)胞，他們開展了差異基因表達(dá)分析。結(jié)果顯示兩個細(xì)胞群的基因集完全不同。利用KRT13-CreER driver小鼠（由賽業(yè)生物提供），他們發(fā)現(xiàn)小丘管腔細(xì)胞在注射IL-13后沒有分化成杯狀細(xì)胞，與傳統(tǒng)的分泌細(xì)胞不同。
接下來，研究人員將重點(diǎn)放在小丘基底細(xì)胞上，看看它們與假分層的基底干細(xì)胞是否相同。利用與ifgMosaic報告基因小鼠交配的TRP63-CreER driver小鼠，他們對基底干細(xì)胞進(jìn)行了譜系標(biāo)記。三個月后，位于假分層上皮的基底干細(xì)胞產(chǎn)生了小克�。ê胁坏�15個細(xì)胞），而小丘內(nèi)的基底干細(xì)胞產(chǎn)生了大克隆（多達(dá)60個細(xì)胞），表現(xiàn)出大規(guī)模的克隆擴(kuò)增。
由此可見，小丘是一種持續(xù)存在的分層鱗狀組織結(jié)構(gòu)，不包含稀有的上皮細(xì)胞類型。此外，小丘基底干細(xì)胞具有獨(dú)特的增殖能力，低水平表達(dá)與鱗狀細(xì)胞分化相關(guān)的基因。在穩(wěn)態(tài)期間，它們主要生成了快速周轉(zhuǎn)的鱗狀細(xì)胞，對周圍的假分層上皮也有少量貢獻(xiàn)。
小丘能抵御各種損傷
由于小丘中緊密交錯的鱗狀細(xì)胞可以作為物理屏障，研究人員接著評估了小丘抵御各種環(huán)境損傷的能力。將氣管浸泡在鹽酸內(nèi)2分鐘以模擬胃酸吸入后，大部分存活細(xì)胞為小丘細(xì)胞。即使在損傷最嚴(yán)重的小丘中，管腔細(xì)胞已經(jīng)凋亡，但底層的基底干細(xì)胞仍能免受損傷并存活下來（圖2）。除了抵御物理損傷，小丘對流感病毒感染也有顯著的抵抗力（圖2）。
圖2. 小丘能抵御各種損傷
為了確定小丘對組織修復(fù)的貢獻(xiàn)，他們采用了毒性氣道損傷的標(biāo)準(zhǔn)化模型，將小鼠暴露于萘（煙草煙霧毒素）中。他們利用活體成像技術(shù)直接觀察譜系標(biāo)記的基底干細(xì)胞的行為，發(fā)現(xiàn)存活細(xì)胞的分布與小丘的分布一致，且均為KRT13+。在5天時間內(nèi)，存活的細(xì)胞及其后代逐漸重新覆蓋了損傷氣管的表面。到損傷后第10天，KRT13+細(xì)胞遍布?xì)夤苌掀�，并顯示出纖毛逐漸生成的跡象。
為了驗證小丘是否是纖毛上皮的來源，研究人員利用KRT13-CreER driver小鼠對小丘進(jìn)行了譜系標(biāo)記。結(jié)果證實(shí)，覆蓋氣管表面的細(xì)胞來源于小丘。重新覆蓋的上皮表現(xiàn)出可塑性，并轉(zhuǎn)化為纖毛上皮。此外，盡管小丘本身缺乏稀有上皮細(xì)胞，但來源于小丘基底干細(xì)胞的氣道上皮包含所有類型的稀有氣道上皮細(xì)胞。通過dual-ifgMosaic克隆譜系追蹤，他們發(fā)現(xiàn)在萘損傷后存活的基底細(xì)胞能夠大規(guī)模克隆擴(kuò)增，并生成所有六種類型的上皮細(xì)胞。
小丘是鱗狀上皮化生的起源之一
在比較小丘基底細(xì)胞和假分層基底細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組后，研究人員發(fā)現(xiàn)一種用于視黃酸分解的酶（Cyp26b1）在小丘基底細(xì)胞中特異性上調(diào)。在低溫?fù)p傷模型中，當(dāng)視黃酸受體拮抗劑Agn193109存在時，KRT13-CreER譜系標(biāo)記的氣道表面上皮比例明顯增加�；虮磉_(dá)分析表明視黃酸代謝在小丘基底細(xì)胞中的處理方式不同，因此他們推斷，小丘基底細(xì)胞對視黃酸信號抑制更敏感，因為它們已準(zhǔn)備好分解視黃酸。
人類鱗狀上皮化生是在缺乏維生素A的情況下發(fā)生的，表明小丘基底干細(xì)胞對維甲酸信號抑制的功能反應(yīng)可能與病理有關(guān)。研究人員使用了維生素A缺乏誘導(dǎo)的小鼠鱗狀上皮化生模型，發(fā)現(xiàn)小丘斑塊在2個月內(nèi)增大了一倍多。為了確定鱗狀化生性病變是否是小丘擴(kuò)增的結(jié)果，他們進(jìn)行了KRT13-CreER譜系追蹤，發(fā)現(xiàn)鱗狀化生斑塊來源于小丘。這些結(jié)果表明，這種形式的鱗狀上皮細(xì)胞化生是小丘擴(kuò)增的結(jié)果，而不是假分層上皮的化生轉(zhuǎn)化。
人類氣道中含有小丘
最后，研究人員探究了人類是否存在氣道小丘。他們在三個人類供體的肺部發(fā)現(xiàn)了KRT13+纖毛斑塊，這些氣管斑塊與小鼠的斑塊相似。這些纖毛斑塊包含分層的KRT13+鱗狀細(xì)胞和KRT13+基底細(xì)胞（圖3）。通過H&E染色，他們確定這些斑塊為輕度的“儲備細(xì)胞增生”，與小丘基底細(xì)胞的增殖率較高一致。在加入AGN193109后，小丘來源的培養(yǎng)物生成了纖毛狀分層結(jié)構(gòu)。
圖3. 人類的氣道小丘
結(jié)論
這些結(jié)果表明，小鼠和人類小丘是獨(dú)特而稀有的干細(xì)胞庫，對各種損傷具有廣泛的抵抗力。這些干細(xì)胞能夠進(jìn)行大規(guī)�？寺U(kuò)增，重新覆蓋氣道表面，形成臨時屏障上皮，然后表現(xiàn)出可塑性，分化成氣道上皮的所有六種細(xì)胞類型。研究還發(fā)現(xiàn)，小丘是“鱗狀上皮化生”的起源之一，而這被認(rèn)為是鱗狀細(xì)胞癌的前兆。
原文檢索
Lin, B., Shah, V.S., Chernoff, C. et al. Airway hillocks are injury-resistant reservoirs of unique plastic stem cells. Nature 629, 869–877 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07377-1
- 文獻(xiàn)解讀：揭示RNA乙�；揎椪{(diào)控血管重構(gòu)的分子機(jī)制
- Nature文獻(xiàn)解讀：KRT13-CreER driver小鼠助力揭開氣道小丘的神秘面紗
- 小鼠模型助力研究TRIM8在肝癌中發(fā)揮致癌作用為HCC治療提供策略
- Tau蛋白人源化小鼠在加速阿爾茨海默病新藥研發(fā)中的應(yīng)用
- 小鼠模型助力解析小腸的營養(yǎng)供應(yīng)及不吃早餐引發(fā)的嚴(yán)重后果
- Nature文獻(xiàn)解讀：小鼠模型助力揭示石膽酸模擬熱量限制的抗衰老效果
- 從引進(jìn)小鼠到繁育過程的詳細(xì)攻略介紹及注意事項
- 多種特應(yīng)性皮炎小鼠模型的介紹及其在相關(guān)藥物藥效評價中的應(yīng)用
- 南模今晚直播：人源化自免小鼠模型構(gòu)建及其應(yīng)用前景
- 李勁松院士做客南模生物直播間，講述基因組標(biāo)簽計劃
- 講座：人免疫系統(tǒng)重建小鼠在腫瘤免疫治療研究中應(yīng)用
- 不同以“網(wǎng)”，智驅(qū)未來，賽業(yè)生物官網(wǎng)煥新升級
- 南模生物邀您相約第十六屆全國免疫學(xué)學(xué)術(shù)大會
- 賽業(yè)生物品牌形象“智鼠iMouse”正式上線
- 南模生物邀您參加SAPA-China 2024醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)大會
- 賽業(yè)生物講座預(yù)告：Cre-loxP原理及工具鼠應(yīng)用要點(diǎn)
Copyright(C) 1998-2025 生物器材網(wǎng) 電話：021-64166852;13621656896 E-mail：info@bio-equip.com