在胚胎發(fā)育過程中，器官前體細(xì)胞正確分化須滿足兩個前提條件：具備分化潛能和接收到正確的分化誘導(dǎo)信號。同一胚層來源的兩個相鄰器官，它們的前體細(xì)胞往往具有相似的分化潛能且所在位置接近，很容易接收到相似甚至相同的誘導(dǎo)信號。這樣，其中一個器官的前體細(xì)胞如何抵御另一個器官的誘導(dǎo)信號以避免分化為錯誤的細(xì)胞類型，是發(fā)育生物學(xué)的一個普遍問題，同是來源于內(nèi)胚層的肝臟和腸道就是一個典型例子。肝臟和前腸的前體細(xì)胞沿原始腸管緊鄰分布，來源于軸旁中胚層的Wnt信號是誘導(dǎo)肝臟前體細(xì)胞分化的關(guān)鍵肝向誘導(dǎo)信號。早在2013年，西南大學(xué)羅凌飛課題組就回答了“為何Wnt信號只能在原始腸管中誘導(dǎo)肝臟發(fā)生、而無法在Wnt信號源周圍的其他組織中誘導(dǎo)肝臟發(fā)生”的問題[1]。但是，即使在原始腸管中，前腸前體細(xì)胞與肝臟前體細(xì)胞緊鄰且都能接收到Wnt信號，為何前者不會被誘導(dǎo)為肝臟細(xì)胞呢？這個問題一直沒有得到回答。
 

2022年11月3日，西南大學(xué)發(fā)育生物學(xué)與再生醫(yī)學(xué)研究中心羅凌飛課題組在PNAS（美國國家科學(xué)院院刊）發(fā)表了題為“Intestinal precursors avoid being misinduced to liver cells by activating Cdx-Wnt inhibition cascade”的研究論文，揭示了在腸道前體細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄因子Cdx1b直接激活Wnt抑制因子Sfrp5的表達(dá)，從而實現(xiàn)前腸前體細(xì)胞對Wnt肝向誘導(dǎo)信號的抵御，避免被錯誤誘導(dǎo)為肝臟細(xì)胞，為破解前體細(xì)胞如何抵御錯誤誘導(dǎo)信號而避免錯誤分化的分子機(jī)理提供了典型案例。

在這項研究中，課題組成員通過ENU正向遺傳誘變篩選獲得一個前腸中出現(xiàn)大量類肝細(xì)胞的斑馬魚突變體（圖1），取名為leberwurst（lbw）。該突變體除了前腸最前端之外，其余前腸區(qū)域原本的腸道分子標(biāo)記完全消失，取而代之的是肝臟分子標(biāo)記。這些異位存在于前腸中的類肝細(xì)胞不僅表達(dá)肝臟分子標(biāo)記，還具備脂質(zhì)代謝、合成和儲存糖原等肝細(xì)胞經(jīng)典功能。scRNA-seq數(shù)據(jù)表明lbw突變體前腸中的類肝細(xì)胞與野生型肝實質(zhì)細(xì)胞共聚類，具有與肝細(xì)胞相似度極高的轉(zhuǎn)錄組特征。lbw是腸道細(xì)胞譜系錯誤發(fā)生、前腸前體細(xì)胞被錯誤誘導(dǎo)成為肝臟細(xì)胞從而顯示前腸肝化表型的代表性突變體。
 

圖1 lbw突變體前腸區(qū)域產(chǎn)生大量類肝細(xì)胞（A和B，綠色熒光），取代了正常的腸道上皮細(xì)胞（B，紅色熒光）。

基因定位克隆顯示lbw突變體的致變基因是腸道特異性表達(dá)的homeobox轉(zhuǎn)錄因子基因cdx1b。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Wnt下游靶基因在lbw突變體腸道中異常表達(dá)，說明Wnt信號在突變體腸道中被異常激活，抑制Wnt信號可以回救突變體的前腸肝化表型。分子機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，Cdx1b可以直接結(jié)合于sfrp5基因的啟動子區(qū)域，激活sfrp5表達(dá)；sfrp5突變體表現(xiàn)出與lbw相同的前腸肝化表型。Sfrp5是Wnt受體Frizzled的分泌型dominant-negative抑制因子，其表達(dá)被Cdx1b激活實現(xiàn)了腸道前體細(xì)胞對Wnt肝向誘導(dǎo)信號的抵御。一旦cdx1b突變而失去功能，Sfrp5表達(dá)就無法被激活，這樣凡是能接收到來自中胚層Wnt信號的前腸區(qū)域就失去了抵御Wnt信號的屏障（除了胰腺和前腸最前端可由Fgf繼續(xù)行使Wnt抵御功能外），從而導(dǎo)致前腸肝化（圖2）。
 

圖2 前腸前體細(xì)胞利用Cdx1b-Sfrp5分子級聯(lián)抵御Wnt肝向誘導(dǎo)信號來避免錯誤的肝向分化。

Cdx被大家熟知的功能是促進(jìn)腸道細(xì)胞分化，這項研究發(fā)現(xiàn)它還有另一項重要功能，就是保護(hù)前腸前體細(xì)胞不會被肝向誘導(dǎo)信號錯誤誘導(dǎo)，這兩項功能是通過不同的下游因子來實現(xiàn)的。腸道前體細(xì)胞抵御肝向分化機(jī)理的揭示，幫助我們深入理解肝臟和腸道細(xì)胞譜系的協(xié)同建立和競爭平衡機(jī)制，為體內(nèi)外操控肝腸命運奠定了理論基礎(chǔ)。
 

西南大學(xué)發(fā)育生物學(xué)與再生醫(yī)學(xué)研究中心羅凌飛教授為本論文通訊作者，楊昀副教授、博士生李園媛和付佳龍為論文的共同第一作者。