Cell Prolif︱李成华团队揭示仿刺参肠再生的分子调控机制

撰文︱曾垂莉

责编︱王思珍，方以一

编辑︱王如华

哺乳动物的肠道再生能力有限，只能进行局部修复[1]。而一些低等无脊椎动物却能对肠道器官进行重塑，其中最引人注目的是海参的肠道再生。海参具有非凡的肠道重塑能力，一些物种甚至能在吐脏后一周内完成肠道的再生[2]。这些特征使海参的肠道成为一个合适且具有吸引力的模型，为肠道再生医学的研究提供参考。然而，迄今为止，关于海参肠再生的研究大多都集中在吐脏后新生肠道的形成上，而对肠再生过程中的细胞命运转换和分子调节机制知之甚少[3, 4]。

2022年10月20日，宁波大学李成华研究员团队在Cell Proliferation上发表了题为“Mesentery AjFGF4–AjFGFR2–ERK pathway modulates intestinal regeneration via targeting cell cycle in echinoderms”的研究论文。该研究揭示了仿刺参(Apostichopus japonicus)肠系膜在肠再生过程中的中心地位，并解析了AjFGF4–AjFGFR2–ERK信号通路靶向细胞周期相关蛋白调控肠再生细胞增殖的分子机制。

研究人员首先对仿刺参吐脏和再生过程中内脏器官的形态结构变化进行了观察。结果显示，仿刺参吐脏后，体腔内只残留有一部分食管、泄殖腔和一片一端连接体腔壁另一端游离在体腔中的肠系膜（图1A）。值得注意的是，在肠再生过程中肠系膜末端不断的增厚、膨大，并最终在增厚处贯穿形成新的肠道（图1B）。这表明肠系膜在肠再生过程中发挥了关键作用，且肠系膜末端的增厚、膨大是肠再生的基础。

图1 仿刺参肠再生过程中肠系膜的组织结构变化

（图源：Zeng, CL. et al., Cell Proliferation, 2022）

既往研究报道再生过程中可能会涉及细胞多种命运状态的转换，如细胞增殖、细胞去分化、细胞迁移、细胞再分化、细胞凋亡等[5-8]。而肠再生过程中肠系膜末端的增厚、膨大需要大量的细胞，因而离不开细胞增殖的调控。为了探究肠再生过程中细胞增殖的空间分布和动态变化，作者对肠再生过程中的细胞增殖进行了检测。结果显示，在肠再生的初期（吐脏后第2天）细胞增殖不明显（图2B-b1-3），而随着肠再生进程的推进，细胞增殖逐渐增强。

图2 仿刺参肠再生过程中细胞增殖逐渐增强

（图源：Zeng, CL. et al., Cell Proliferation, 2022）

为进一步探究肠再生过程中介导细胞增殖的分子机制，作者对肠再生不同阶段的肠系膜进行了转录组分析，并从“生长转录因子”分子功能中筛选到了Fibroblast Growth Factor （AjFGF4）这一潜在靶基因。随后作者通过RNA干扰和AjFGF4过表达验证了AjFGF4对细胞增殖和肠再生的调控作用。以上实验结果表明AjFGF4调控肠再生过程中的细胞增殖。

图3 AjFGF4在仿刺参肠再生过程中调节细胞增殖

（图源：Zeng, CL. et al., Cell Proliferation, 2022）

在高等脊椎动物中，FGF通过与它们的特异性受体（FGFR_1-4）互相作用以激活不同细胞中的不同信号[9]。作者在仿刺参中也鉴定到了4种类型的FGFR，作者通过分子对接的方式进一步预测了与AjFGF4结合能力最强的AjFGFR2，并通过免疫共沉淀（Co-Immunoprecipitation, Co-IP）, GST融合蛋白沉降技术（GST-pull down）和免疫荧光共定位（Immunofluorescent Co-Localization）（图4）证明AjFGF4和AjFGFR2的结合。

图4 AjFGF4与AjFGFR2互相作用

（图源：Zeng, CL. et al., Cell Proliferation, 2022）

为了证明在肠再生过程中AjFGF4通过AjFGFR2来介导细胞增殖，作者在肠再生过程中首先对AjFGFR2进行了干扰，并过表达了AjFGF4，随后检测了该处理对细胞增殖和肠再生的影响。实验结果显示，在干扰AjFGFR2以及干扰AjFGFR2再添加AjFGF4重组蛋白两种处理方式下细胞增殖和肠再生水平均受到抑制，且这两种处理方式下的细胞增殖和肠再生水平并没有显著差异。表明仿刺参肠再生过程中的细胞增殖通过是AjFGF4-AjFGFR2轴来调节的。

图5 在肠再生过程中AjFGF4通过AjFGFR2来调控细胞增殖

（图源：Zeng, CL. et al., Cell Proliferation, 2022）

据报道，MAPK信号通路与多种动物（如水螅和斑马鱼）再生过程中的细胞存活、增殖和分化密切相关[10]。为探究MAPK信号通路是否介导AjFGF4/AjFGFR2信号通路的传导，作者对AjFGFR2的表达进行干扰后，检测了MAPK通路中关键基因ERK、p38和JNK的蛋白表达和磷酸化水平。实验结果显示AjFGFR2的表达受到抑制后，ERK的磷酸化水平发生了下调。通过抑制ERK磷酸化以及抑制ERK磷酸化后过表达AjFGF4后检测到细胞增殖水平均受到抑制，且两种处理方式下细胞增殖水平同样没有显著性差异，因此进一步证明了肠再生过程中AjFGF4/AjFGFR2-ERK信号通路对细胞增殖的调控。

图6 仿刺参肠再生过程中AjFGF4/AjFGFR2依赖于ERK–MAPK途径介导细胞增殖

（图源：Zeng, CL. et al., cell proliferation, 2022）

在哺乳动物中，细胞周期蛋白（cyclin）和周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependent kinases, CDK）的复合物可以在细胞增殖过程中驱动细胞从一个阶段进入另一个阶段[11]。为了验证仿刺参肠再生过程中细胞周期相关蛋白是否受AjFGF4/AjFGFR2-ERK轴调节并最终来调控细胞增殖，作者检测了siAjFGF4、siAjFGFR2、ERK磷酸化抑制、ERK磷酸化抑制后过表达AjFGF4处理后细胞周期相关蛋白的表达水平和细胞增殖水平变化。实验结果显示各处理组中细胞周期相关蛋白的表达、细胞增殖和肠再生均受到抑制。以上实验进一步证明了在仿刺参肠再生过程中AjFGF4/AjFGFR2-ERK通过靶向细胞周期相关蛋白来调控细胞增殖从而影响肠再生。

图7 仿刺参肠再生过程中通过AjFGF4/AjFGFR2-ERK-细胞周期相关蛋白轴调控细胞增殖

（图源：Zeng, CL. et al., Cell Proliferation, 2022）

图8 仿刺参肠再生过程中通过AjFGF4/AjFGFR2-ERK-细胞周期相关蛋白轴调控细胞增殖

（图源：Zeng, CL. et al., Cell Proliferation, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，仿刺参的肠系膜是肠再生的中心，通过激活细胞增殖及其他细胞事件来调控肠道的形成。从机制上讲，AjFGF4介导的细胞增殖依赖于与其受体AjFGFR2的结合，然后触发保守的ERK–MAPK途径，并介导细胞周期相关蛋白的表达来调控细胞增殖（图8）。这一实验结果为仿刺参肠再生的研究提供了参考，也为再生医学的研究提供了新思路。

本研究初步探索了仿刺参肠再生过程中的细胞增殖调控机制，但研究局限在整体细胞水平上，还不能做到对某一特定细胞类型的增殖水平进行分析。目前制备各种细胞类型的特异性marker仍是仿刺参肠道再生研究的难题，需进一步探索。

原文链接：https://doi.org/10.1111/cpr.13353 

宁波大学海洋学院博士生曾垂莉为第一作者，宁波大学海洋学院李成华研究员为通讯作者。该研究受到国家自然科学基金（32073003）、浙江省自然科学基金（LZ19C190001）、宁波大学研究与创新基金（IF2022151）和宁波大学K.C.Wong Magna基金的资助。大连海洋大学的常亚青教授和丁君教授为仿刺参的养殖和采样提供了帮助和支持。

第一作者：曾垂莉（左）；通讯作者：李成华（右）

（图片提供自：李成华团队）

通讯作者简介（上下滑动阅读） 

李成华，研究员，博士生导师，国务院学位委员会第八届水产学科评议组成员，国家优秀青年科学基金获得者，“海洋生物技术与工程”国家地方联合工程实验室主任，“水产生物技术”教育部重点实验室副主任，国家自然科学基金生命学部优秀青年科学基金/学科评审组会评专家，国家外专局重点引智项目会评专家，Asian Society of Developmental and Comparative Immunology (ASDCI)理事，中国海洋与湖沼学会棘皮动物分会理事，中国水产学会鱼病专业委员会委员。兼任国际学术期刊Frontiers in Molecular Immunology主编，Frontiers in Genetics、《水产学报》和《大连海洋大学学报》编委。入选2020年“爱思唯尔”中国高被引学者水产学科榜单、获浙江省“万人计划”科技创新领军人才、浙江省高校领军人才、曾呈奎海洋青年科技奖、中国水产学会首届青年科技奖、浙江省杰出青年科学基金、浙江省农业科技先进工作者、宁波市有突出贡献专家等荣誉和人才工程资助。主持国家重点研发计划课题和子课题各1项、国家自然科学基金5项以及浙江省自然科学基金杰出青年科学基金、重点基金和浙江省科技厅国际合作项目等科研项目。以第一完成人获2019年度高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学奖二等奖（“刺参弧菌性疫病发生的分子基础及其生态防控原理”）、浙江省高等学校科研成果奖一等奖、宁波市科学技术奖三等奖和二等奖各1项。

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参考文献（上下滑动阅读）

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本文完