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Cell Stem Cell:周乔课题组发现可介导大小肠相互转换的关键转录因子

已有 727 次阅读 2021-9-28 10:42 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

成体干细胞在组织再生中发挥着重要作用。以肠道上皮为例,生理情况下,在位于肠道“隐窝”中的肠道干细胞(ISC)的驱动下,肠上皮每4~7天完成一次自我更新。在肠粘膜受到损伤时,ISC会再生修复,定向分化为肠上皮。除此之外,隐窝“+4”位置的静息干细胞或者甚至分化后的细胞在上皮组织受损时也会被激活或者去分化而获得肠道干细胞的潜能,来修复受损的上皮组织。


值得一提的是,再生的肠道粘膜会保持着原有的组织结构和功能,由此引出一个有趣的问题,不同部位的ISC如何维持其相应的组织特异性?

北京时间2021年9月27日晚23时,美国康奈尔医学院周乔课题组Cell Stem Cell期刊发表标题为“SATB2 preserves colon stem cell identity and mediates ileum-colon conversion via enhancer remodeling” 的文章,首次解析了SATB2基因维持结肠特性方面的功能。通过SATB2基因敲除或其过表达可以实现结肠与回肠之间的身份转换。


美国康奈尔医学院顾威博士为文章第一作者,康奈尔医学院黄晓峰博士与紀念斯隆-凱特琳癌症中心的王华博士分别对单细胞分析和表观遗传学相关研究做出了重要贡献。康奈尔医学院聂耀辉博士及华中科技大学同济医学院附属协和医院张皎月博士提供实验技术支持。


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首先,作者应用流式从Lgr5DTRGFP工具鼠中分选出原代大肠或小肠干细胞,并经过RNA测序获取二者之间基因转录组差异表达基因集。相似地,体外培养人类小肠或大肠类器官进行RNA测序,并取得其基因转录组水平的差异表达基因集。


作者进一步将二者(小鼠和人类)的差异表达基因集取交集后,鉴定出了SATB2等大肠干细胞特异表达的候选转录因子, 使用CRISPR技术在小鼠结肠类器官上敲除上述的大肠干细胞特有的候选转录因子,筛选后发现只有SATB2敲除组肠道基因表达谱发生了显著的变化,如SATB2敲除后小肠特有的吸收营养物质相关的信号通路明显上调。


随后该课题组将小鼠体内大肠条件性敲除SATB2,惊奇的发现小鼠近端结肠上皮出现了类似小肠绒毛的结构。不同肠段上皮细胞的RNA测序发现,SATB2敲除后的结肠与回肠的转录组高度相似。通过免疫组织化学/荧光染色,作者验证了SATB2敲除后,结肠上皮出现了回肠特异的细胞(潘氏细胞,OLFM4+的ISC,肠细胞等小肠特异性的细胞种类,图1)。作者使用了单细胞测序进一步支持了这一结论。更重要的是,同位素标记的吸收实验证明了SATB2敲除的结肠具备了小肠的吸收功能。值得一提的是,在人结肠类器官中敲除SATB2后,基因表达谱和小鼠出现了类似的转变,并且体外功能实验进一步验证了双糖酶和二肽基肽酶功能显著上升,暗示了SATB2在人体中很可能有类似的作用。


此外,该课题组构建了体内SATB2过表达的小鼠模型,在回肠激活SATB2表达后, 粘液素分泌,电解质转运等结肠功能相关的信号通路上调,相反,肠细胞胆汁酸吸收,潘氏细胞防御素分泌等功能下调。综上所述,作者们揭示了SATB2在维持结肠的特性中作扮演了主调控因子的角色。


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图1


最后作者检测了SATB2作为转录因子在结肠上皮细胞中全基因组的结合位点,发现92.3%(39% intergenic regions和53.2% introns)的结合位点位于非启动子区域,综合motif 富集分析发现了肠道关键转录因子CDX2,HNF4A和转录调控过程中发挥重要作用的转录激活因子P300,提示SATB2可能与CDX2和HNF4A共同参与了增强子激活靶基因的转录调控。


之后作者使用CUT&RUN技术,通过比较结肠和回肠增强子激活靶基因转录所需的H3K27Ac 和H3K4me1修饰位点后鉴别出组织特异的增强子,在SATB2敲除结肠上皮中,结肠特异的增强子上CDX2和HNF4A的结合位点与H3K27Ac 和H3K4me1修饰显著下降,相反回肠特异的增强子上显著上升。

 

作者首次发现了某个关键基因可以改变组织的特性,从基因,蛋白,功能水平上将一个组织重编程为另一个组织。文章从根本上回答了结肠上皮粘膜在不断的更新中是如何保持其组织特异性的,并给今后回肠功能紊乱或者缺失者提供了潜在的基因治疗方案。

 

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.09.004




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