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EMBO J | 陈晔光团队揭示Bcl11b平衡BMP和Wnt信号维持肠道干细胞并促进肠上皮再生

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-11-05 00:02

正文

肠道是人体进行消化吸收的器官，对人类的健康起着决定性的作用。肠道的消化吸收功能主要依赖于肠上皮，其异常会导致肠炎和结直肠癌等多种疾病的发生。肠上皮每天都在不断更新，这种更新主要是通过位于隐窝底部的Lgr5阳性肠干细胞（Intestinal stem cells, ISCs）的增殖和分化来完成的。除了稳态维持，Lgr5阳性肠干细胞对于肠上皮损伤后修复也非常关键【1】。肠干细胞的自我更新和再生能力受到多种信号分子的调节【2-4】。其中，骨形态发生蛋白（BMP）和Wnt信号通路的平衡至关重要【5-7】，但目前对于平衡BMP和Wnt信号的分子机制尚不清楚。此前，清华大学陈晔光课题组发现BMP信号可以通过直接抑制干性基因的表达来抑制Lgr5阳性干细胞【8】。BMP信号作为调控肠干细胞的重要信号通路，其下游是否存在关键因子平衡Wnt信号，以及该关键因子参与调控的具体机制尚待揭示。

2024年10月21日，清华大学生命科学学院/南昌大学基础医学院陈晔光课题组在EMBO J期刊在线发表了题为BMP suppresses Wnt signaling activation via the Bcl11b-regulated NuRD complex to maintain intestinal stem cells的文章，报道了一个平衡BMP与Wnt信号通路的重要因子——Bcl11b，研究发现Bcl11b作为Wnt信号的激活因子可以介导BMP信号对于Wnt信号的抑制作用，影响肠干细胞的维持和肠上皮再生。

首先，他们发现，BMP刺激可以降低类器官中Bcl11b基因的表达，而在类器官和小鼠模型中敲除BMP信号受体Alk3则会引起Bcl11b的表达上升。同时，染色质免疫共沉淀结果验证了BMP下游的转录因子Smad1和Smad4会直接结合Bcl11b基因的启动子。这些结果证明了BMP信号对Bcl11b基因的表达有直接抑制作用。

通过分析肠上皮单细胞转录组及空间转录组、实时荧光定量PCR和免疫荧光实验发现Bcl11b主要在隐窝底部的细胞中表达，提示Bcl11b可能主要在Lgr5阳性干细胞中发挥功能。随后，研究人员在肠上皮中对Bcl11b基因进行了条件性敲除，发现Bcl11b缺失会导致小鼠肠道隐窝中Lgr5阳性肠干细胞的数量显著减少，干细胞标志基因（如Lgr5、Olfm4、Smoc2等）的表达明显下降，但肠道结构、增殖细胞、杯状细胞和潘氏细胞等没有显著差异。除小鼠实验外，研究者们在肠上皮类器官培养模型中通过敲除和过表达实验验证了相同的结论。此外，Bcl11b的过表达可以部分回补由于BMP信号增强带来的干细胞标志物的降低和类器官的生长抑制，进一步证明了Bcl11b可以作为BMP信号的靶基因影响肠干细胞。

除了在正常生理状态维持干细胞稳态，Bcl11b在肠上皮损伤后的修复中也发挥了关键作用。X射线辐照模型和葡聚糖硫酸钠（DSS）急性给药是两种经典的小鼠肠上皮损伤模型，这些损伤会导致体重减轻、隐窝结构缺失和增殖细胞减少等症状。研究者们发现在X射线诱导肠上皮损伤后，Bcl11b的表达优先于其他干性基因恢复至正常水平，提示它可能会在损伤修复过程中发挥调控作用。在两种损伤模型中，Bcl11b缺失后小鼠的肠上皮隐窝数目都明显减少、增殖细胞数量大大降低、体重恢复更缓慢；而在类器官中过表达Bcl11b能够明显促进受损类器官的再生和干细胞标志物的表达。

随后，研究人员对Bcl11b发挥作用的分子机制进行了探索。通过报告基因检测筛选发现Bcl11b可以明显地激活Wnt信号报告基因，但对其他信号的报告基因（TGF-β、 BMP、 NF-κB、 Notch、 Hippo）没有影响，表明它是一个特异的Wnt信号激活因子。在Bcl11b缺失的肠上皮细胞和类器官中Wnt信号靶基因的表达明显下调；小鼠Bcl11b的缺失可以抑制Wnt激活因子R-spondin1引起的肠上皮隐窝增生；反之，Bcl11b过表达可以弥补R-spondin1缺乏导致的类器官生长缓慢。通过ChIP-seq实验、SPR实验和IP实验等，研究人员发现Bcl11b会增强Wnt信号下游的转录因子β-catenin与TCF4的相互作用，从而激活Wnt/β-catenin信号通路。另一方面，通过蛋白组学、ATAC-seq、CUT&TAG等发现Bcl11b会与Nucleosome Remodeling and Deacetylase（NuRD）复合物相互作用，并且抑制NuRD复合物的功能，从而实现对染色质开放程度的调节，促进Wnt靶基因的转录，实现对Wnt信号的激活。

由于Wnt信号在结直肠癌的发生发展中发挥着至关重要的作用，研究者们继续探索了Bcl11b基因对结直肠癌的影响。通过对结直肠癌样本的单细胞测序、转录组数据库和病理切片的分析，发现Bcl11b的表达在结直肠癌中显著增加，尤其是在干细胞和快速增殖细胞群体中。在结直肠癌细胞中敲除Bcl11b会抑制结肠癌细胞的增殖和克隆形成能力以及体内的成瘤能力。这些结果都表明Bcl11b可以促进肿瘤发生。

图1. Bcl11b平衡BMP和Wnt信号维持肠道干细胞并促进再生的模式图

综上所述，研究者利用单细胞/空间转录组、Bcl11b 敲除小鼠、体外类器官系统、蛋白组学等多种实验手段，证明了Bcl11b在维持Lgr5阳性肠干细胞和促进肠上皮再生，以及促进肿瘤生长中的关键作用。分子机制上，Bcl11b主要通过抑制NuRD复合物和促进β-catenin与TCF4的相互作用来激活Wnt信号，从而发挥功能。由于Bcl11b的表达会直接被BMP信号所抑制，本研究还揭示了Bcl11b作为桥梁介导肠干细胞中BMP信号对Wnt信号的抑制。这一研究深入探索了BMP和Wnt信号通路在肠道干细胞中的互作机制，揭示了Bcl11b基因在其中的平衡功能，为治疗相关疾病提供了潜在的靶点。

清华大学生命科学学院李叶华博士（现南昌大学生物医学创新研究院特聘研究员）、2018级博士生黄美梅（现广州国家重点实验室博士后）及2019级博士生王肖丹（现陆军特色医学中心助理研究员）为论文共同第一作者，清华大学生命学院助理研究员刘媛和教授陈晔光为共同通讯作者，清华大学生命科学学院为第一单位。

原文链接：

https://www.embopress.org/doi/full/10.1038/s44318-024-00276-1

制版人：十一

参考文献

1. Barker, N., et al., Identification of stem cells in small intestine and colon by marker gene Lgr5. Nature, 2007. 449(7165): p. 1003-7.

2. Clevers, H., The intestinal crypt, a prototype stem cell compartment. Cell, 2013. 154(2): p. 274-84.

3. van der Flier, L.G. and H. Clevers, Stem cells, self-renewal, and differentiation in the intestinal epithelium. Annu Rev Physiol, 2009. 71: p. 241-60.

4. Metcalfe, C., et al., Lgr5+ stem cells are indispensable for radiation-induced intestinal regeneration. Cell Stem Cell, 2014. 14(2): p. 149-59.

5. Clevers, H., K.M. Loh, and R. Nusse, Stem cell signaling. An integral program for tissue renewal and regeneration: Wnt signaling and stem cell control. Science, 2014. 346(6205): p. 1248012.

6. Schuijers, J., et al., Ascl2 acts as an R-spondin/Wnt-responsive switch to control stemness in intestinal crypts. Cell Stem Cell, 2015. 16(2): p. 158-70.

7. He, X.C., et al., BMP signaling inhibits intestinal stem cell self-renewal through suppression of Wnt-beta-catenin signaling. Nat Genet, 2004. 36(10): p. 1117-21.

8. Qi, Z., et al., BMP restricts stemness of intestinal Lgr5+ stem cells by directly suppressing their signature genes. Nat Commun, 2017. 8: p. 13824.

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