科學家發現肺多能幹細胞參與肺臟再生

2月19日，國際學術期刊《自然-遺傳學》（Nature Genetics）在線發表了中國科學院生物化學與細胞生物學研究所周斌研究組、季紅斌研究組以及中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院彭廣敦研究組的合作科研成果「Lung regeneration by multipotent stem cells residing at the bronchioalveolar duct junction」。該研究利用雙同源重組系統（Cre-loxP 和Dre-rox）發現位於支氣管肺泡交界處的肺支氣管肺泡幹細胞具有多種肺上皮細胞分化的潛能，並結合多種小鼠損傷模型揭示了這群幹細胞在體內具有再生肺臟的能力，為肺臟的修復和再生研究提供了新的研究方向及理論基礎。

肺作為一個複雜的多功能器官，對人類生存至關重要。肺臟自近端到遠端包括氣管、支氣管、小支氣管和肺泡等結構，對氣體交換和抵禦病原體入侵至關重要。這些不同位置的結構，其上皮細胞的類型也不同。在小鼠的氣管和大支氣管中，肺上皮細胞包括纖毛細胞（ciliated cell）、棒狀細胞（club cell）、杯狀細胞（goblet cells）和未分化的基底細胞（basal cell）。小支氣管上皮細胞類型包括纖毛細胞、棒狀細胞和神經內分泌細胞（neuroendocrine cell）。肺泡上皮細胞主要包括I型肺泡上皮細胞（alveolar type 1 cell, AT1 cell）和II型肺泡上皮細胞（alveolar type 2 cell, AT2 cell）。這些類型的細胞對維持肺穩態、功能和促進肺損傷修復非常重要。不同位置的上皮細胞能維持並修復各自區域的上皮層，文獻報道basal cells，club cells和AT2 cells能分別維持並修復氣道、支氣管和肺泡處的損傷。有的上皮細胞具有更強大的分化能力，有研究發現在流感病毒引起的肺損傷修復過程中，P63 Krt5 basal cell能分化為club cell、AT1和AT2 cell。還有研究發現當去除basal cell後，上皮細胞club cell能再去分化為basal cell以響應肺損傷修復。除了以上這些幹細胞類型，近年來還有一種新的可能存在的肺幹細胞被提出，它位於小支氣管與肺泡交界處（bronchioalveolar duct junctions, BADJs)，共表達club cell分子標記Secretoglobin1a1 (Scgb1a1 or CC10) 和AT2 cell分子標記Surfactant Protein C (Sftpc or SPC)，被稱為支氣管肺泡幹細胞（bronchioalveolar stem cells, BASCs）。以往的研究通過抗體染色、細胞分選、類器官培養等體外方法研究BASCs的功能，而BASCs缺乏獨特的分子marker，作為一種新的肺多能幹細胞在體內肺損傷修復中承擔什麼角色一直存在爭論，傳統的譜系示蹤技術並不支持BASCs的存在以及參與肺修復再生的功能。

為了解決這一問題，研究人員利用基於Cre-loxP和Dre-rox雙同源重組的報告基因小鼠R26-RSR-LSL-tdTomato，並結合能特異性標記CC10 細胞的Scgb1a1-CreER小鼠和特異性標記SPC 細胞的Sftpc-DreER小鼠，通過交配獲得Scgb1a1-CreER;Sftpc-DreER; R26-RSR-LSL-tdTomato（BASCs tracer）三基因型小鼠來特異性標記CC10 SPC BASCs。通過體內驗證，證明此策略能特異性地標記示蹤BASCs。結合支氣管損傷（Naphthalene誘導）和肺泡損傷（Bleomycin誘導）兩種模型，研究人員發現，在支氣管損傷後BASCs能分化為支氣管上皮club cell和ciliated cell，而在肺泡損傷後BASCs又能分化為肺泡上皮AT2和AT1 cell，證明了BASCs的分化多能性。同時，研究人員構建了一種新的基於雙系統並用於克隆分析的新報告小鼠R26-Confetti2，通過克隆分析在單個細胞水平上揭示了BASCs的多向分化潛能。進一步，研究人員還通過對BASC進行深度單細胞RNA測序分析，鑒定出了新的BASCs特徵性分子，揭示了BASC在轉錄組圖譜上位於club cell和AT2 cell之間，並發現BASCs內部也具有一定的異質性，反映了其向不同潛能分化的幹細胞特徵。體內肺多能幹細胞BASCs的發現以及其分化功能的鑒定將為肺疾病治療方法、肺臟的損傷修復以及再生醫學研究提供新的思路。

周斌、季紅斌、彭廣敦為該論文共同通訊作者。周斌組博士後劉巧珍、博士生劉擴，景乃禾研究組博士生崔桂忠為該論文共同第一作者。該研究得到生化與細胞所研究員景乃禾和曾藝、暨南大學教授蔡冬青和田雪瑩、阜外醫院教授胡盛壽和聶宇、上海交通大學教授黃荷鳳和任濤、上海市奉賢區中心醫院主任醫師喬增勇等的大力支持，同時得到中科院、國家基金委、國家科技部、上海市科委等資助。

圖註：肺多能幹細胞BASCs能夠促進肺損傷修復再生。利用BASCs-tracer可以特異性標記並示蹤CC10 SPC BASCs。在支氣管損傷後，BASCs能分化為支氣管上皮club cell、ciliated cell，而在肺泡損傷後BASCs能分化為肺泡上皮AT2和AT1 cell。

來源：中國科學院生物化學與細胞生物學研究所

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