细胞分子拥挤在小肠类器官中的调控机理和力学信号传导作用
撰文│杨羊 何志颖
编辑│陈圆圆
审校│汤红明
力学挤压可以通过促进Wnt/β-catenin信号通路LRP6-Axin信号体形成，调控ISCs自我更新，以及肠类器官表型转换。
据【《Cell Stem Cell》 2020年10月报道】题：体积压缩导致细胞内分子拥挤，通过Wnt/β-Catenin信号控制肠类器官生长（作者Guo Ming等）
细胞是生命的基本组成单元，数十微米直径的细胞内包含着数以千万记的生物大分子。然而分子拥挤对分子生物过程的影响并未完全在细胞内得到验证，其在组织器官水平上的功能也并未清晰。尽管肠道生化调节已有广泛研究，但细胞外物理因素对肠道细胞功能的影响仍未被探索。美国麻省理工学院机械工程系的郭明课题组发现体积压缩导致细胞内分子拥挤，通过Wnt/β-Catenin信号控制肠类器官生长，具体作用机制见下图，该成果发表在2020年10月的Cell Stem Cell上。
自我更新的肠上皮形成隐窝和绒毛，Lgr5+ ISCs（小肠干细胞）位于隐窝底部附近，细胞扩增产生压缩，挤压周围细胞。通过物理特性将ISCs与Lgr5-细胞区分开，发现Lgr5+ ISCs比Lgr5-细胞明显小和细长、内部更拥挤，含有更高的核质比。ISCs体积与其Lgr5 RNA表达水平呈负相关，表明物理特性与多能性之间可能存在相互作用。Lgr5为Wnt/β-catenin通路靶基因，控制肠上皮和肠类器官的生长。因此探索细胞物理特性是否通过调节Wnt/β-catenin信号来调节ISCs多能性。Wnt信号活性取决于细胞接收到的Wnt配体浓度，用相同数量Wnt配体处理肠隐窝，同时抑制内源性Wnt配体分泌。发现ISCs比Lgr5-细胞积累了更多核β-catenin，而细胞体积与核β-catenin呈负相关。因此，推测细胞体积可能是Wnt/β-catenin信号的调节因子。
进一步研究物理特性的变化是否直接影响Wnt/β-catenin信号。高渗条件处理细胞，细胞体积明显减小，Wnt/β-catenin信号明显升高。而且无论如何被干扰，Wnt信号总是追踪细胞体积。细胞内拥挤随细胞体积减小而增加，表明分子拥挤是Wnt/β-catenin信号的物理调节因子。Wnt 3a 为Wnt/β-catenin通路的配体，Wnt3a高渗条件下细胞内拥挤增加，Wnt/β-catenin信号明显升高；但没有Wnt3a的高渗条件对Wnt/β-catenin信号无影响。结果表明，细胞内拥挤促进Wnt/β-catenin信号依赖于Wnt配体，更拥挤的细胞质中积累了较多细胞质β-catenin。为了证实细胞内拥挤是否直接影响β-catenin，检测含有APC突变（可导致β-catenin积累增加）的细胞，压缩下细胞的Wnt/β-catenin信号和β-catenin水平都没有得到增强，表明细胞内分子拥挤通过稳定APC降解复合物上游的细胞质β-catenin，而增强Wnt/β-catenin信号。
Wnt3a刺激下，细胞膜上的受体复合物在Fz和LRP6之间形成，导致LRP6磷酸化及在质膜上募集Axin。Wnt诱导的Fz-LRP6簇与Axin和Dvl聚类，统称为LRP6-Axin信号体，抑制β-catenin降解，从而使其稳定和积累。压缩时，细胞质β-catenin总积累量和LRP6磷酸化显著增强。进一步研究压缩下LRP6-Axin信号体的形成是否增强，检测二维肠体单层的信号体形成试验，发现压缩下信号体形成更快，Axin相关的LRP6数量明显增加，信号体的数量随着较高的分子拥挤而增加，表明压缩促进了LRP6-Axin信号体形成。还发现压缩下信号体内外Axin交换速度较慢，表明压缩下二维肠体中的LRP6-Axin信号体更稳定。这些结果证实，细胞内拥挤通过促进LRP6-Axin信号体形成来调节Wnt激活。
Wnt/β-catenin信号是肠类器官发育的主要调控通路，探索压缩下肠类器官的生理功能。发现高渗条件下形成的肠类器官体积更大，传代培养后含有较少但较大的隐窝，并且较少分化。由于渗透压缩下单个细胞体积减小，因此类器官变大是由于细胞增殖较多导致细胞数量增加。机械压缩下培养类器官，也观察到类似的促进作用。进一步探索压缩促进类器官生长，是否可以在长期培养中得到增强。发现长时间压缩持续促进类器官生长，培养传代后大部分类器官转向ISCs球表型，含有高纯度的干细胞。表明细胞内分子拥挤，促进ISCs自我更新增强。
ISCs在高水平Wnt/β-catenin信号时自我更新，水平较低时则开始分化为成熟小肠内皮细胞。压缩下ISCs和类器官中Wnt/β-catenin信号更高，更多细胞积累更多β-catenin，进一步证实压缩下类器官中更多细胞保持较高的Wnt/β-catenin信号。由敲除APC基因的ISCs形成的类器官中，Wnt/β-catenin信号被过度激活，压缩并不影响类器官生长。此外，阻断内源性Wnt配体分泌可以抑制类器官生长，此时渗透压缩增加细胞内拥挤并不能挽救类器官生长。这些结果表明，压缩通过调节APC降解复合物上游的Wnt/β-catenin信号，可能在LRP6受体水平上促进肠类器官生长。结合三维类器官和二维肠体的结果，表明通过稳定LRP6-Axin信号体形成，促进ISCs自我更新，从而促进肠体/类器官生长。
本研究证实了细胞内分子拥挤在小肠类器官力学传导和干细胞命运调控中的作用，并阐明其力学传导分子机理，发现力学挤压可以通过促进Wnt/β-catenin信号通路LRP6-Axin信号体形成，调控ISCs自我更新，以及肠类器官表型转换。揭示了细胞物理特性与细胞命运之间的直接关系，可能有助于器官的稳态和发育。研究人员认为，细胞内拥挤对细胞生化反应的影响是一种普遍影响，不仅限于典型的Wnt/β-catenin信号通路。本研究强调了细胞物理特性调节细胞功能，可以补充目前的机械生物学研究，为基础发育生物学研究、类器官工程培养、转化医学研究开辟了新思路。
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