前沿进展 | 周斌、季红斌、彭广敦研究组合作发现肺多能干细胞参与肺脏再生

前沿进展 | 周斌、季红斌、彭广敦研究组合作发现肺多能干细胞参与肺脏再生

生命的化学 欧美女星 2019-02-24 13:19:04 788


导语

     2019218日,国际学术期刊《自然遗传学》(Nature Genetics)在线发表了中国科学院生物化学与细胞生物学研究所周斌研究组、季红斌研究组以及中国科学院广州生物医药与健康研究院彭广敦研究组的合作科研成果“Lung regeneration by multipotent stem cells residing at the bronchioalveolar duct junction”[1]该研究利用双同源重组系统(Cre-loxP Dre-rox)发现位于支气管肺泡交界处的肺支气管肺泡干细胞具有多种肺上皮细胞分化的潜能,并结合多种小鼠损伤模型揭示了这群干细胞在体内具有再生肺脏的能力,为肺脏的修复和再生研究提供了新的研究方向及理论基础。 



肺脏自近端到远端包括气管、支气管、小支气管和肺泡等结构,肺泡是肺部进行气体交换的主要部位,也是肺的功能单位。肺作为一个复杂的多功能器官,对气体交换和抵御病原体入侵至关重要


肺不同区域的上皮细胞类型构成也不同。在小鼠的气管和大支气管中,肺上皮细胞包括纤毛细胞(ciliated cell)、棒状细胞(club cell)、杯状细胞(goblet cells)和未分化的基底细胞(basal cell)。小支气管上皮细胞类型包括纤毛细胞、棒状细胞和神经内分泌细胞(neuroendocrine cell)。在肺泡区域,肺泡上皮细胞主要包括I型肺泡上皮细胞(alveolar type 1 cell, AT1 cell)和II型肺泡上皮细胞(alveolar type 2 cell, AT2 cell)。这些类型的细胞对维持肺稳态、功能和促进肺损伤修复非常重要


肺具有区域性的上皮干细胞,在稳态或损失情况下能够维持和修复各自区域的上皮层,已有文献报道basal cell,club cell和AT2 cell能分别维持并修复气道、支气管和肺泡处的损伤[2]。有的上皮细胞具有更强大的分化能力,有研究发现在流感病毒引起的肺损伤修复过程中,P63+Krt5+ basal cell能分化为club cell、AT1和AT2 cell[3, 4]。还有研究发现当去除basal cell后,上皮细胞club cell能再去分化为basal cell以响应肺损伤修复[5]。除了以上这些干细胞类型,近年来还有一种新的可能存在的肺干细胞被提出,它位于小支气管与肺泡交界处bronchioalveolar duct junctions, BADJs),共表达club cell分子标记Secretoglobin1a1 (Scgb1a1 or CC10) 和AT2 cell分子标记Surfactant Protein C (Sftpc or SPC),被称为支气管肺泡干细胞(bronchioalveolar stem cells, BASCs)[6]。以往的研究通过抗体染色、细胞分选、类器官培养等体外方法研究BASCs的功能,而BASCs缺乏独特的分子marker,作为一种新的肺多能干细胞在体内肺损伤修复中承担什么角色一直存在争论,传统的谱系示踪技术并不支持BASCs的存在以及参与肺修复再生的功能


为了能够在体内特异性的标记BASCs,研究人员利用基于Cre-loxP和Dre-rox双同源重组的报告基因小鼠R26-RSR-LSL-tdTomato,并结合能特异性标记CC10+细胞的Scgb1a1-CreER小鼠和特异性标记SPC+细胞的Sftpc-DreER小鼠,通过交配获得Scgb1a1-CreER;Sftpc-DreER;R26-RSR-LSL-tdTomato (BASCs tracer)三基因型小鼠来特异性标记CC10+SPC+ BASCs。通过体内验证,证明此策略能特异性地标记示踪BASCs。


通过进一步研究发现,BASCs能够响应肺脏损伤,具有多种肺上皮细胞分化潜能


研究人员使用了两种肺损伤模型:支气管损伤(Naphthalene诱导)模型和肺泡损伤(Bleomycin诱导)模型。


当给予BASCs tracer小鼠肺损伤后发现:在支气管损伤后BASCs能分化为支气管上皮club cell和ciliated cell,而在肺泡损伤后BASCs又能分化为肺泡上皮AT2和AT1 cell,证明了BASCs的分化多能性。同时,研究人员构建了一种新的基于双系统并用于克隆分析的新报告小鼠R26-Confetti2,通过克隆分析在单个细胞水平上揭示了BASCs的多向分化潜能


进一步,研究人员还通过对BASC进行深度单细胞RNA测序分析,鉴定出了新的BASCs特征性分子,揭示了BASC在转录组图谱上位于club cell和AT2 cell之间,并发现BASCs内部也具有一定的异质性,反映了其向不同潜能分化的干细胞特征。体内肺多能干细胞BASCs的发现以及其分化功能的鉴定将为肺疾病治疗方法、肺脏的损伤修复以及再生医学研究提供新的思路


图注:肺多能干细胞BASCs能够促进肺损伤修复再生。利用BASCs-tracer可以特异性标记并示踪CC10+SPC+BASCs。在支气管损伤后,BASCs能分化为支气管上皮club cell、ciliated cell,而在肺泡损伤后BASCs能分化为肺泡上皮AT2和AT1 cell。



周斌研究员,季红斌研究员,彭广敦研究员为该论文共同通讯作者。周斌组博士后刘巧珍,博士生刘扩,景乃禾研究组博士生崔桂忠为该论文共同第一作者。


另外,该研究得到了生化细胞所的景乃禾研究员和曾艺研究员、暨南大学的蔡冬青教授和田雪莹教授、阜外医院的胡盛寿教授和聂宇教授、交通大学的黄荷凤教授和任涛教授、奉贤区中心医院的乔增勇主任等大力支持,同时得到中国科学院、国家基金委、国家科技部、上海市科委等资助。


文章全文可通过点击文末的“阅读原文”进行阅读


作者介绍

 


共同通讯作者


周斌,中国科学院生物化学与细胞生物学研究所/分子细胞科学卓越创新中心研究员、博士生导师。2002年7月毕业于浙江大学医学院临床医学系,获得MD。2006年7月毕业于中国医学科学院中国协和医科大学,获得PhD。2006年至2010年在美国哈佛大学医学院波士顿儿童医院从事博士后研究。2009年任哈佛大学医学院讲师和Research Associate。2010年9月至2016年8月任中国科学院上海生命科学研究院营养科学研究所研究员,研究组长。2016年9月起任职于中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所研究员,研究组长。曾获得中科院“百人计划”、国家杰出青年科学基金、国家万人计划“青年拔尖人才”及“领军人才”、ISHR杰出研究员奖、“英国皇家学会-牛顿高级学者基金”、中国青年科技奖、中国科学院青年科学家奖、谈家桢生命科学创新奖、树兰医学青年奖等。


研究方向:谱系示踪与细胞命运可塑性。研究体内特定类型细胞的起源及命运,揭示细胞在发育、疾病和组织再生中的分化或转分化现象(细胞命运可塑性)及细胞命运调控机制具有重大的科学意义。研究组主要利用基于同源重组酶系统的遗传谱系追踪技术,在哺乳动物体内进行细胞标记及追踪来研究细胞的起源及命运。此外,研究组长期致力于谱系追踪新技术的开发及应用,并利用新技术更加深入探索哺乳动物体内细胞命运可塑性及其分子机制。代表性研究成果多次在Nature、Science、Nat Med、Nat Genet等国际学术期刊发表,其中发现新生期心脏具有重新生成冠状动脉的能力入选“2014年度中国科学十大进展”。主要研究内容和方向如下:


 1、建立谱系追踪及遗传操作新技术,实现哺乳动物体内更为精准、高效的细胞追踪及遗传操作。

 2、利用遗传学、分子生物学、细胞生物学等手段,研究干细胞在器官发育与再生中功能及其细胞命运可塑性调控机理。

 3、利用新技术研究微环境及肿瘤细胞的起源、增殖、EMT及转移过程中的细胞及分子机制。

 4、结合合成生物技术与遗传学创建合成遗传学技术,利用人工合成信号通路实现哺乳动物体内细胞-细胞交流及其命运的解析及遗传调控。


季红斌,中国科学院生物化学与细胞生物学研究所/分子细胞科学卓越创新中心研究员、博士生导师。1991-1995年就读于吉林大学获学士学位,1995-2000年就读于中国科学院上海生化与细胞所获博士学位,2000-2007年在哈佛医学院从事博士后工作。2007年入选中科院“百人计划”,受聘于中科院上海生科院生化与细胞所,任研究员、博导。2008年获上海市“浦江人才计划”资助;2011年获上海医学科技奖二等奖;2012年获中科院上海分院系统杰出青年科技创新人才称号;2013年获上海市科技进步二等奖;2013年获国家杰出青年基金;2014年获第七届上海青年科技英才称号;2014年获上海市优秀学术带头人称号。


研究方向:季红斌研究组主要致力于肺癌发生、发展及转移过程中的分子机理研究,以及肺癌的可塑性与药物耐受。通过对肺癌患者临床样本、人肺癌细胞株模型以及肺癌动物模型的整合性研究,寻找并鉴定能够对肺癌患者进行早期诊断的有效生物学标记物以及在肺癌治疗中重要的分子靶点,并进一步确证其在肺癌发病过程中的功能及其作用机理,以期为肺癌的临床诊治提供理论基础和新的策略。并且利用遗传基因改造的小鼠模型(Genetically Engineered Mouse Model, GEMM)以及病人来源的肿瘤样本异体移植小鼠模型(Patient-Derived Xenograft, PDX)来研究肺癌可塑性与药物耐受之间的关系。这些研究将有望为更深入地了解肺癌发生发展的过程以及改善目前临床肺癌治疗的策略提供帮助。



彭广敦,中国科学院广州生物医药与健康研究院,研究员。2009年毕业于中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所,获得博士学位。此后在美国加州大学洛杉矶分校从事博士后研究,于2011年回国在中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所担任助理研究员,2016年起聘为副研究员。2018年9月入职中国科学院广州生物医药与健康研究院,担任研究员、课题组长。承担国家重点研发计划“干细胞及转化研究”重点专项、中国科学院" 器官重建与制造"战略性先导科技专项、国家自然科学基金面上项目。国际干细胞学会(ISSCR)会员。曾获Sanofi-SIBS 2017 Distinguished Young Faculty、ISSCR 2017 Poster Award and Travel Award奖励或荣誉。


研究方向:主要研究多能干细胞的时空动态分子图谱以及转化应用


方向一:高通量自动化单细胞测序技术解析体内干细胞的功能分群与异质性,重绘干细胞的发育起源与命运特化机制;

方向二:原位空间转录组技术解析空间功能特异的干细胞转录组特征,构建哺乳动物多能干细胞高分辨率的时空动态分子谱系;

方向三:新型组织干细胞用于体外器官重建与功能修复




共同第一作者


刘巧珍,中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所/分子细胞科学卓越创新中心博士后。2011年毕业于华中科技大学生命科学与技术学院;2016年毕业于中国科学院营养科学研究所获得博士学位;2016年3月至今在中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所从事博士后研究。主要致力于利用基于同源重组酶系统的遗传谱系追踪技术,在哺乳动物体内进行细胞标记及追踪来研究细胞的起源及命运,并探索其命运调控的分子机制。以第一作者或共同第一作者发表Nature Genetics、NatureMedicine、NatureCommunications、CellResearch等多篇学术成果。作为课题负责人主持国家自然科学基金委青年基金项目1项,中国博士后基金1项,入选中国科协青年人才托举工程。



刘扩,中国科学院生物化学与细胞生物学研究所/分子细胞科学卓越创新中心博士研究生。2015年毕业于河北农业大学生命科学学院。主要致力于利用基于同源重组酶系统的遗传谱系追踪技术,在哺乳动物体内进行细胞标记及追踪来研究细胞的起源及命运,并探索其命运调控的分子机制。以第一作者或共同第一作者在Nature Genetics、Development、Cell Research期刊发表学术成果。



崔桂忠,中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所/分子细胞科学卓越创新中心博士研究生。2010年就读于西北农林科技大学创新实验学院基地班;2014年进入中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所学习。主要从事中枢神经系统发育的分子机制和多能干细胞神经定向诱导分化的调控机制研究。以第一作者或共同第一作者发表Nat Genet 和 Development、Growth & Differentiation等文章,参与发表Nat Cell Biol、Dev Cell、Stem Cell Reports 和 J Mol Cell Biol等多篇学术成果。


相关文献:

1.    LiuQ, Liu K, Cui G, Huang X, Yao S, Guo W, Qin Z, Li Y, Yang R, Pu W, Zhang L, HeL, Zhao H, Yu W, Tang M, Tian X, Cai D, Nie Y, Hu S, Ren T, Qiao Z, Huang H,Zeng YA, Jing N, Peng G, Ji H, Zhou B. Lung regeneration by multipotent stemcells residing at the bronchioalveolar-duct junction. Nature Genetics. 2019

2. RawlinsEL, Okubo T, Xue Y, Brass DM, Auten RL, Hasegawa H, Wang F, Hogan BL. The roleof scgb1a1+ clara cells in the long-term maintenance and repair of lung airway,but not alveolar, epithelium. Cell StemCell. 2009;4:525-534

3. ZuoW, Zhang T, Wu DZ, Guan SP, Liew AA, Yamamoto Y, Wang X, Lim SJ, Vincent M,Lessard M, Crum CP, Xian W, McKeon F. P63(+)krt5(+) distal airway stem cellsare essential for lung regeneration. Nature.2015;517:616-620

4. VaughanAE, Brumwell AN, Xi Y, Gotts JE, Brownfield DG, Treutlein B, Tan K, Tan V, LiuFC, Looney MR, Matthay MA, Rock JR, Chapman HA. Lineage-negative progenitorsmobilize to regenerate lung epithelium after major injury. Nature. 2015;517:621-U211

5. TataPR, Mou HM, Pardo-Saganta A, Zhao R, Prabhu M, Law BM, Vinarsky V, Cho JL,Breton S, Sahay A, Medoff BD, Rajagopal J. Dedifferentiation of committedepithelial cells into stem cells in vivo. Nature.2013;503:218-+

6. KimCF, Jackson EL, Woolfenden AE, Lawrence S, Babar I, Vogel S, Crowley D, BronsonRT, Jacks T. Identification of bronchioalveolar stem cells in normal lung andlung cancer. Cell. 2005;121:823-835

 


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