Cell Biosci | 邹康/赵小东团队揭示E-cadherin调控精原祖细胞分化的新模式

撰文︱张丹琛

责编︱王思珍，方以一

编辑︱方以一

精原干细胞（spermatogonial stem cells, SSCs）是精子发生的基础，SSCs能通过多个分化步骤形成功能性的精子。其中未分化的精原细胞群体被命名为精原祖细胞（spermatogonial progenitor cells，SPCs）。E-cadherin作为一种钙黏素蛋白，是参与细胞结构和信号传导的重要分子。近年来E-cadherin已经被证明是SPCs的表面标记物[1]，但是在SPCs发育中的具体机制目前仍不清楚。作者的前期工作证实，SPCs表面的E-cadherin蛋白与睾丸微环境中的Sertoli细胞表面的重要信号蛋白ITGB1存在相互作用。因此，进一步揭示E-cadherin在SPCs中的功能和信号通路，对揭示睾丸微环境调控精原细胞命运具有重要的意义。

多功能蛋白β-catenin参与多种信号通路的调控（Wnt、JAK-STAT等）以及转录因子的相互作用（TCF家族、HDAC家族等）。β-catenin也是调节SPCs命运的重要因子[2]，和E-cadherin之间也存在黏附作用。然而，多项研究结果显示，β-catenin在SPCs中的功能尚未明确，尤其是维持未分化状态还是促进分化仍未有明确的定论[3, 4]。因此，深入探究β-catenin 对SPCs命运的调控具有重要意义。

2022年9月1日，南京农业大学动物科技学院邹康课题组联合上海交通大学系统生物医学研究院赵小东课题组在Cell and Bioscience在线发表了题为“E-cadherin maintains the undifferentiated state of mouse spermatogonial progenitor cells via β-catenin”的研究论文。阐述了E-cadherin作为精原祖细胞的标志物，通过关键的中间分子β-catenin来介导维持精原祖细胞的未分化状态，为研究精原祖细胞的分化模式提供了新的思路。

作者首先揭示了E-cadherin和β-catenin在小鼠SPCs中的共定位表达模式（图1A），通过RNAi干扰试验发现E-cadherin干扰后SPCs细胞分化的标志物表达升高（图1 B, C），并且通过免疫共沉淀试验检测了两者在SPCs中存在相互作用（图1 D）。这些结果显示了E-cadherin可能是通过β-catenin之间相互作用影响SPCs的命运。  

图1  E-cadherin和β-catenin在未分化精原细胞中的表达以及E-cadherin的干扰影响SPCs的分化

（图源：Song, et al., Cell Biosci 2022）

为了进一步探究E-cadherin缺失对SPCs命运的影响，作者通过Loxp-Cre系统构建了在生殖系中条件性敲除E-cadherin的小鼠模型（图2 A,B）。对睾丸的组织学分析显示，E-cadherin敲除后对曲精细管的结构和生精过程并没有明显的影响（图2 C, D），但是未分化精原细胞的标志物PLZF的表达明显降低，同时分化的标志物C-kit表达量明显升高（图2 E-L）。这些结果进一步说明了E-cadherin的缺失引起了SPCs的分化。

图2  SPCs中E-cadherin的条件性敲除影响SPCs的分化

（图源：Song, et al., Cell Biosci 2022）

作者发现在SPCs中敲除E-cadherin导致了β-catenin表达量和磷酸化水平的下降，从而抑制β-catenin的入核转录活性（图3 A-C）。同时，作者发现钙黏蛋白22（CDH22）也与β-catenin存在相互作用（图3 F），并且在E-cadherin缺失情况下能够补偿E-cadherin对SPCs调控作用（图3 D, E, G, H）。这些结果说明了可能存在多种钙黏蛋白通过关键的中间分子β-catenin来协同参与对SPCs命运的调控。

图3  SPCs中E-cadherin的敲除以及Cdh22的干扰影响SPCs的分化

（图源：Song, et al., Cell Biosci 2022）

在进一步的研究中，作者在SPCs中分别干扰了β-catenin以及与β-catenin功能相关的两个因子Stat3和Hdac4，蛋白免疫印迹结果均显示干扰后的SPCs更加趋向于分化的状态（图4）。结合前面的体内实验结果，证明了β-catenin是维持SPCs未分化状态的重要因子，在SPCs中与LEF/TCF，STAT3以及HDAC4共同作用来挑SPCs的命运，在E-cadherin等钙黏素蛋白介导的SPCs附着微环境及维持未分化状态中起至关重要的作用。

图4  SPCs中β-catenin以及共同调控因子Hdac4和Stat3的干扰影响SPCs的分化

（图源：Song, et al., Cell Biosci 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究证实了精原祖细胞（SPCs）的重要跨膜蛋白E-cadherin通过β-catenin来维持SPCs的未分化状态的生物学功能，并初步揭示了分子调控机制，发现其他类型的钙黏蛋白（如CDH22）可以协同E-cadherin调控SPCs的命运，筛查到HDAC4、STAT3是β-catenin调控SPCs的命运互作蛋白。然而，由于β-catenin和E-cadherin以及Wnt通路之间的复杂关系，本研究结果尚未完全揭示β-catenin在调控SPCs命运中的作用和机制[5]，这些问题有待在后续的研究中解答。

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36050783/

宋伟翔博士（中科院脑科学与智能技术卓越创新中心博士后）、张丹琛（南京农业大学博士生）、Jiaqi Mi（City of Hope博士后）为论文的共同第一作者。南京农业大学干细胞研究与转化中心的邹康教授与上海交通大学系统生物医学研究院的赵小东教授为共同通讯作者。该项目获得江苏特聘教授人才项目和江苏省种业振兴项目(JBGS[2021]024)的支持。

作者简介（上下滑动阅读） 

邹康，南京农业大学动物科技学院教授、博导，江苏特聘教授，南京农业大学干细胞研究与转化中心主任，研究内容主要包括生殖干细胞与微环境的相互作用机制以及转化应用。在Nature Cell Biology等期刊发表论文二十五篇，担任Zoological Research期刊的编委，获得2020年国家自然科学奖（第二获奖人）等奖励。

赵小东，上海交通大学系统生物医学研究院教授、博导，主要研发各种高通量技术，利用高通量测序平台在干细胞及肿瘤细胞内开展包括转录组学、转录因子介导的转录调控网络以及表观遗传调控等领域在内的功能基因组学的研究。主要研究方向包括：1）肿瘤细胞转录调控网络；2）干细胞表观遗传修饰及其生物学意义。在Cell Stem Cell、Cell、Nature、PNAS、Genome Biology、Oncogene等杂志上发表SCI文章三十余篇，总影响因子237.1，总引用次数超过5600。往期文章精选优质科研培训课程推荐【1】R语言临床预测生物医学统计专题培训（10月15-16日，北京·中科院遗传与发育生物学研究所）欢迎加入“岚翰生命科学”

参考文献（上下滑动阅读） 

[1] Tokuda M, Kadokawa Y, Kurahashi H, et al. CDH1 is a specific marker for undifferentiated spermatogonia in mouse testes. Biol Reprod. 2007;76(1):130–41.

[2] Takase HM, Nusse R. Paracrine Wnt/β-catenin signaling mediates proliferation of undifferentiated spermatogonia in the adult mouse testis. Proc Natl Acad Sci USA. 2016;113(11):201601461.

[3] Takase HM, Nusse R. Paracrine Wnt/β-catenin signaling mediates proliferation of undifferentiated spermatogonia in the adult mouse testis. Proc Natl Acad Sci USA. 2016;113(11):201601461.

[4] Tokue M, Ikami K, Mizuno S, et al. SHISA6 confers resistance to differentiation-promoting Wnt/β-catenin signaling in mouse spermatogenic stem cells. Stem Cell Rep.

[5] Helsel AR, Yang QE, Oatley MJ. ID4 levels dictate the stem cell state in mouse spermatogonia. Development. 2017;144(4):624–34.2017;8(3):561.

本文完