Nat Commun︱加州大学旧金山分校庄宝田团队发现在没有肺支气管存在的条件下依然可以形成肺泡囊

撰文︱张  宽

责编︱王思珍，方以一

编辑︱杨彬薇

早期的肺上皮细胞主要分为表达SOX2的近端轴细胞（proximal）和表达SOX9的远端轴细胞（distal），其中表达SOX9的远端轴细胞属于干细胞，它可以增殖、自我更新，也可以分化形成表达SOX2的近端轴细胞；而表达SOX2的近端轴细胞则会在胚胎发育后期分化形成支气管（conducting airway）[1]。在肺发育的早期阶段肺上皮细胞主要通过不断的分支（branching）来促进各级肺支气管（bronchi）以及终末细支气管（bronchioles）的形成。肺泡囊（saccule）则是在支气管分支完成后，在其顶端由表达SOX9的干细胞分化形成的一个囊状的腔[2-4]。既然肺泡囊和肺支气管属于相对独立的结构，那么肺泡囊是否可以在没有各级支气管存在的条件下形成呢；以及调控肺上皮干细胞分化命运（cell fate decision）的信号通路又有哪些？回答这些问题对实施肺泡的体外合成具有重要的理论意义。

2022年11月25日，加州大学旧金山分校庄宝田教授课题组在Nature Communications上发表了题为“mTORC1 signaling facilitates differential stem cell differentiation to shape the developing murine lung and is associated with mitochondrial capacity”的研究。该研究利用条件型基因敲除小鼠和RNA测序的方法揭示了“mTORC1-线粒体-Shh”信号轴在肺上皮干细胞分化命运调控方面的差异化功能，对了解肺泡的起源和发育起到了促进作用。

研究者利用条件型敲除小鼠首先在肺泡上皮细胞中敲除Rptor基因，P-RPS6表达量的减少说明了mTORC1活性降低（图1a, b）。mTORC1活性的降低导致肺表皮细胞和肺间充质细胞的发育异常，以及肺支气管分支停止（图1c, d）。除此之外，mTORC1活性的降低还会导致肺支气管肌动蛋白纤维骨架（actin cytoskeleton）减少（图1e），以及包裹肺支气管平滑肌细胞的分布异常（图1f）。肺支气管平滑肌细胞的异常分布显示了肺部近端-远端轴的分布（proximal-distal distribution）可能存在异常。

图1  mTORC1调控肺支气管发育。

（图源：Zhang K, et al., Nat Commun, 2022）

为了探究mTORC1活性的降低是否可以破坏肺部近端-远端轴的分布，研究者收集了多个发育初期的肺组织。通过对这些肺组织进行染色发现，表达SOX9的远端轴细胞在mTORC1活性降低的肺中持续增加，而表达SOX2的近端轴细胞则停止了增长（图2a, b）。随着发育的持续进行，最终肺支气管在mTORC1活性降低的肺中消失，但是肺泡囊却依然可以形成（图2c-f）。通过RNA测序并结合前期在肺泡中的研究成果（Zhang et al., eLife, 2022）[5]，研究者发现mTORC1活性的降低可以导致线粒体数目减少（图3a, b），以及ATP合成量降低（图3c）。线粒体标记蛋白MPC1和MTCO1的免疫染色结果更加确定了线粒体数目的减少（图3d-g）。

为了研究线粒体能量代谢是否在肺发育过程中介导mTORC1的信号通路，研究者构建了Tfam及Cox10的条件型敲除小鼠，因为这两个基因的敲除都会导致线粒体能量合成的减少。通过研究发现，当在肺表皮细胞中敲除Tfam及Cox10后，肺部近端-远端轴的分布会被打乱，最终导致肺支气管发育缺失；敲除Tfam及Cox10同样不会影响肺泡囊的发育。这些结果与降低mTORC1活性产生的效果是一样的，说明了在肺发育过程中mTORC1的信号通路通过调控线粒体能量的合成来影响肺干细胞的分化命运。

图2  mTORC1活性的降低会导致肺支气管发育缺失，但不影响肺泡囊的形成。

（图源：Zhang K, et al., Nat Commun, 2022）

随后，研究者收集了大量Rptor、Tfam、及Cox10条件型敲除小鼠的肺组织，利用anti-EPCAM的抗体纯化了肺上皮细胞并抽取了RNA进行测序。测序结果显示Sonic hedgehog（Shh）信号通路在所有的条件型敲除小鼠的肺组织中被抑制，说明Sonic hedgehog（Shh）信号通路可能参与了肺干细胞的命运决定。Shh基因敲除小鼠的表型证实了“mTORC1-线粒体-Shh”信号轴在肺支气管和肺泡囊分化调控上的决定作用。

图3  mTORC1活性的降低导致线粒体表达量和ATP的生成量减少

（图源：Zhang K, et al., Nat Commun, 2022）

图4  mTORC1-线粒体-Shh信号轴调控干细胞分化命运的模式图

（图源：Zhang K, et al., Nat Commun, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究利用条件型敲除的小鼠模型首次发现了mTORC1的缺失会破坏肺部近端-远端轴的分布，从而抑制肺支气管的形成，但不影响肺泡囊的发育；首次提出了mTORC1通过调控线粒体能量的输出和Sonic hedgehog（Shh）信号通路来影响肺支气管和肺囊泡的分化发育（图4）。该成果首次发现了肺支气管与肺囊泡发育的独立性，从而对肺泡发育有了更深的了解。在COVID-19导致的新冠肺炎肆虐全世界的今天，更好的了解肺泡发育及损伤修复机理对于筛选和研发有效的治疗药物有着重要的促进作用。该文章虽然确立了“mTORC1-线粒体-Shh”信号轴对肺泡远端轴干细胞分化的差异化调控作用，但是具体的分子机制并不是很清楚，比如mTORC1是如何调控线粒体的合成；Shh信号通路又是通过什么方式被抑制；干细胞是如何决定该分化成肺支气管还是肺泡囊等等。众所周知，细胞内的一切活动都是依赖于线粒体所产生的能量，而肺组织RNA测序的基因差异表达结果却显示大部分的基因是正常表达的，说明细胞对能量的利用是有优先选择性的，并不是一视同仁；另外，mTORC1的经典靶蛋白4E-BP、S6K、ULK1/2的缺失却不会引起肺发育的异常[6-8]，说明了相同的信号通路在细胞和个体水平是有很大差异的。虽然对模式动物的研究费时耗力，且不易找到分子机制，但它却是我们实现基础向临床转化的唯一途径。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-34763-y

通讯作者：庄宝田

（照片提供自：庄宝田团队）

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本文完