2023年12月13日，華中科技大學郭峥教授團隊在Cell Press細胞出版社旗下期刊Developmental Cell上以“Eclosion muscles secrete ecdysteroids to initiate asymmetric intestinal stem cell division in Drosophila”為題發表研究論文。該論文報道了果蠅蛹期的出蛹肌肉DIOM通過分泌蛻皮激素ecdysone起始腸道幹細胞不對稱分裂的最新研究成果。華中科技大學88858cc永利官网醫學遺傳學系博士生張松為論文第一作者。郭峥教授為通訊作者。

幹細胞通過對稱分裂擴增幹細胞數目，通過不對稱分裂産生終末分化的子代細胞。在哺乳動物胚胎和器官的發育過程中，幹細胞總是先進行對稱分裂形成幹細胞池，再通過不對稱分裂産生有功能的子代細胞。例如小鼠腸道發育中，胚胎期的腸道幹細胞經過數輪對稱分裂後再進行不對稱分裂，形成有功能的腸道組織。另外在小鼠大腦發育過程中，神經幹細胞先通過對稱分裂擴增數目，然後轉變為不對稱分裂，産生不同類型的次生神經祖細胞和神經元。最佳控制論（optimal control theory）認為幹細胞的這種先對稱後不對稱的分裂方式可以在最短的時間内形成有功能的組織和器官。因此，幹細胞由對稱分裂到不對稱分裂的轉變時間點是至關重要的。轉變發生過早會導緻幹細胞數目不足，難以在有限時間内産生有功能的組織；而轉變時間過晚會導緻幹細胞的過度增殖和子代細胞的匮乏。然而，這個幹細胞由對稱分裂轉為不對稱的分子開關是什麼？控制這個分子開關的時間在發育的過程中是如何被決定的？人們對這些問題都知之甚少。

  在本項研究中，作者利用果蠅蛹期腸道作為研究模型，探索啟動腸道幹細胞由對稱分裂轉向不對稱分裂的信号。作者利用清華大學果蠅中心的8645株RNAi，通過在pISC中進行全基因組RNAi篩選，發現EcR（EcR receptor）、usp（ultraspiracle）和E93（Ecdysone induce protein 93F）這三個蛻皮激素通路 (ecdysone signaling) 基因的敲降能顯著減少出蛹前中腸中EECs的數量，說明蛻皮激素信号通路起始了pISCs的不對稱分裂。

作者發現，EcR與Usp作為蛻皮激素的受體，直接啟動染色體重塑因子E93的轉錄表達。那麼E93是如何起始的pISCs不對稱分裂？作者把目光集中到ecdysone信号下遊的重要靶點Broad (Br) 。Br在蛹初始形成時在腸道表皮有高表達，但是随蛹的發育表達逐漸降低，在pISCs開始不對稱分裂時Br表達消失（圖1A），這些結果提示沒有Br的表達對于pISCs開啟不對稱分裂至關重要，而E93關閉了Br的表達。通過一系列遺傳學實驗，作者總結出蛻皮激素信号啟動pISC不對稱分裂的分子機制為：EcR/usp通過激活E93關閉Br，使得本被Br抑制的AC-S蛋白複合體和其下遊轉錄因子Pros被表達出來，開啟pISCs的不對稱分裂産生EECs（圖1C）。

圖1 ecdysone開啟不對分裂的機制

A，44h APF時pISCs開始不對稱分裂，此時Br不在腸道中表達。B，在pISCs中敲低Br導緻EECs提前産生。C，ecdysone信号起始pISCs不對稱分裂的分子機制。

  蛻皮激素是如何使得果蠅在44 h APF這個精确的時間點開啟pISC不對稱分裂？ 50年前人們發現完全變态昆蟲中蛻皮激素濃度最高峰（脈沖）出現在蛹期的中間時間點，果蠅的蛻皮激素脈沖出現在40 h APF。作者發現果蠅pISC在經曆蛻皮激素脈沖後，随即開啟不對稱分裂（圖2A），于是猜測開啟不對稱分裂的時間點是由蛻皮激素在蛹期的脈沖所決定。通過全身性的敲低蛻皮激素合成酶Spookier (Spok) 和Phantom (Phm)後，蛻皮激素在40 h APF的脈沖濃度顯著降低，EEC的産生明顯減少（圖2B）。說明果蠅蛹期合成的蛻皮激素脈沖可以起始pISC的不對稱分裂。

那麼蛹期的蛻皮激素脈沖從哪裡來的呢？這是一個困擾研究人員将近百年之久的問題。果蠅在幼蟲期合成蛻皮激素的器官是前胸腺 (PG)。作者發現在蛹期的PG中敲降蛻皮激素合成酶并不會顯著影響蛻皮激素脈沖的形成，說明在蛹期除PG外還有關鍵的蛻皮激素來源。作者将T2A-Gal4這個驅動元件通過CRISPR/Cas9技術原位插入到蛻皮激素合成酶phm的編碼序列 3’端後，發現Phm除在PG表達外，還在蛹期的腹部背側内斜肌 (DIOM) 中大量表達，提示脈沖的關鍵組織來源為DIOM （圖2 C）。随後，一系列的遺傳和體外培養實驗充分的證明了DIOM在蛹期産生了蛻皮激素的脈沖。

圖2 蛹期ecdysone主要來源于DIOMs

A，在蛻皮激素高濃度峰後，腸道開始不對稱分裂産生EECs。B ，敲低spok和phm兩個蛻皮激素合成酶，會抑制腸道EECs産生。C，蛹期phm在PG和DIOMs中表達。

          DIOMs是果蠅在蛹期将幼蟲肌肉重塑成熟後，用來讓果蠅出蛹的一組肌肉。作者發現mTOR信号調控DIOM的重塑，抑制mTOR後DIOM無法重塑導緻蛻皮激素脈沖消失；激活mTOR後DIOM重塑時間提前，脈沖産生的時間提前。這些結果表明蛻皮激素脈沖是在DIOM重塑過程中産生。DIOM經過重塑成熟後不再分泌蛻皮激素，幫助果蠅在羽化時出蛹，在出蛹後一天内降解。 

  綜上所述，作者發現來源于DIOM的果蠅蛻皮激素脈沖将pISC由對稱分裂切換到不對稱分裂。解決了百年來完全變态昆蟲在蛹期的蛻皮激素信号來源問題。DIOM作為負責執行出蛹的肌肉組織，其在mTOR信号通路下的重塑成熟過程，像一個發育時鐘，通過給予其他器官組織以類固醇激素信号，精确調控機體各個器官發育進程。由于蛻皮激素受體Usp與哺乳動物視黃醇X受體 (RXRs) 同源，作者猜測哺乳動物中視黃酸通路 (retinoid signaling) 調控幹細胞由對稱分裂向不對稱分裂的轉變。

文章鍊接：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2023.11.016