文 | 杨阳 刘蔚蔚

北京时间12月11日，澳门大学健康科学学院陈国凯课题组在Cell Reports上发表论文，题为：Endogenous IGF SignalingDirects Heterogeneous Mesoderm Differentiation in Human Embryonic Stem Cells [1]。

文章揭示了人胚干细胞在向中胚层的早期分化过程中，胰岛素和胰岛素样生长因子（Insulin-like growth factor, IGF）的信号，对于细胞种类多样性的重要功能。

该团队今年4月25日在 Stem Cells 杂志上发表报告：Insulin Stimulates PI3K/AKT and Cell Adhesion to Promote theSurvival of Individualized Human Embryonic Stem Cells [2]。

文章揭示了胰岛素和胰岛素样生长因子对人胚干细胞扩增和干细胞微环境组建必不可少的功能。

这两项研究凸显了胰岛素样生长因子通路在人类多能干细胞应用中的关键作用。

在胚胎发育过程中，囊胚的內細胞群在不同内在信号介导下可分化为不同细胞类型。

只有当适当比例的不同细胞种类同时出现时，才能保证胚胎的正常发育并最终产生健康的个体。

我们已知FGF，TGFβ，BMP、WNT等信号通路在特定阶段的激活或抑制可以诱导产生不同的细胞种类。

但是分化细胞的种类多样性是如何在胚胎发育中被维持的呢？

人们对这个问题的答案所知甚少。

人类胚胎干细胞（human embryonic stem cells, hESCs）来源于內細胞群，可在体外无限扩增，并可经内胚层、中胚层和外胚层最终分化为多种细胞，是研究胚胎发育分子机制的经典模型。

本课题组的研究人员发现，胰岛素/IGF是对干细胞存活最重要的外源因子。

胰岛素和IGF共享类似的下游信号通路，它们通过PI3K/AKT 和CK2通路调节细胞代谢、生长和存活。

IGF内源表达在干细胞阶段处在较低水平，因此干细胞培养时必须加入外源胰岛素或IGF才能维持干细胞存活和生长。

胰岛素或IGF抑制细胞程序死亡，并且帮助失巢干细胞增强细胞黏附, 重新组建适当的干细胞微环境以促进细胞存活和扩增。

图1：胰岛素促进游离细胞的局灶性粘附形成。

胰岛素/IGF在hESC向中胚层诱导阶段和中胚层后续分化阶段对细胞分化多样性也有极大影响。

当干细胞通过WNT激活被诱导到中胚层时，内源IGF的表达由前两天的低水平显著增强，从而不再依赖外源IGF，不同的细胞种类随后相继出现。

在干细胞向中内胚层诱导阶段补充外源胰岛素或IGF，可显著增强中内胚层细胞后来分化到内皮、间充质和肝脏细胞类型的比例，同时抑制心脏和心包细胞的生成。

图2：胰岛素促进中胚层分化的细胞类型多样性

如果IGF通路在这个阶段没有被激活，则细胞命运多样性的平衡被破坏，生成的中内胚层细胞有较高潜能可自发分化为心肌或心包细胞。

当前人们普遍认为中胚层前体细胞具有同质性，后续的细胞多样性是由后期的外源因子决定的。

这个发现指出在分化早期IGF的调控水平可导致前体细胞异质性，影响到什么样的细胞种类可以在后期自发分化出现。

这意味着我们在开发与优化干细胞分化手段时需要考虑到早期诱导的因素。

图3：胰岛素样生长因子抑制促进心肌细胞分化

当中胚层出现后，内源IGF表达增强，同时多种不同细胞种类出现。

当IGF通路被小分子抑制剂LY294002抑制时，细胞命运将走向心肌细胞，同时心外膜细胞和其他非心脏细胞的生成均被抑制。

LY294002诱导产生的心肌细胞在形态、基因表达、自发跳动、电生理等方面表现出显著的心肌细胞特征。

后续研究发现LY294002不是通过PI3K/AKT通路，而是经CK2通路来调节心肌分化。

图4：LY294002与WNT抑制剂的联合作用

根据这项研究，研究人员发明了两种新的心肌分化方法，为以后生产再生医学所需的心肌细胞提供了新的途径，并为心肌分化的分子机制提供了有价值的信息。

这些新手段的应用价值还有待进一步的研究。

IGF通路抑制剂在心肌分化中的效果，进一步印证了内源性IGF对于中胚层分化细胞命运多样性的重要作用。

相关论文链接：
[1]https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(19)31529-3
[2]https://stemcellsjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/stem.3026