表皮干细胞干性维持与分化机制：Wnt/Notch/YAP信号通路振荡调控的动力学模型研究

《npj Systems Biology and Applications》：On the mechanisms of epidermal stemness and differentiation

本研究针对表皮干细胞(SC)与过渡扩增细胞(TAC)相互作用诱导终末分化(TDC)的机制尚不明确这一核心问题，通过构建Wnt、Notch和YAP信号通路的动力学模型，揭示了TAC中上述通路活性振荡是驱动细胞周期进程和终末分化的关键。研究证实，干细胞表面Notch配体Delta的表达量需高于临界值(dCr)才能维持其干性，而TAC在经历数个振荡周期后，通过p73介导的机制实现终末分化。该研究为理解组织稳态和再生提供了新的理论框架。

　　

皮肤作为人体最大的器官，其稳态的维持依赖于表皮基底层中干细胞(SC)的自我更新和分化。这些干细胞通过产生过渡扩增细胞(TAC)，最终形成终末分化细胞(TDC)，从而不断补充和修复皮肤屏障。长期以来，科学家们知道Wnt信号通路的高活性是维持干细胞干性的关键，而Notch信号通路的高活性则驱动细胞分化。然而，一个核心谜团始终悬而未决：TAC是如何被精确地“诱导”并最终走向终末分化的？它们与干细胞之间究竟存在着怎样的“对话”机制？

为了回答这一关键问题，Saumya Shukla和Raghvendra Singh在《npj Systems Biology and Applications》上发表了一项研究。他们通过构建一个精密的数学模型，揭示了Wnt、Notch和YAP/TAZ信号通路在TAC中发生的周期性振荡，正是这种“生物钟”般的节律，精确地调控了细胞周期的进程，并最终触发了终末分化程序。

研究方法概览

研究人员主要采用了计算生物学和动力学建模的方法来开展研究。首先，他们基于Wnt、Notch和YAP/TAZ信号通路之间已知的调控关系，构建了一套描述这些通路活性随时间变化的常微分方程(ODE)模型。其次，利用MATLAB软件对模型进行数值求解，分析了系统的稳态、分岔和极限环振荡等动力学行为。第三，通过MATCONT软件进行分岔分析，确定了系统从稳态转变为振荡态的参数范围。第四，采用Euler-Maruyama方法对模型引入随机噪声，模拟分子水平的随机波动，以检验振荡行为的鲁棒性。最后，通过改变模型参数，研究了系统在不同条件下（如分化后）的动力学行为变化。

研究结果

1. 表皮干细胞干性的功能定义

研究人员首先从功能上定义了表皮干细胞。他们提出，一个细胞之所以是干细胞，是因为它能够诱导与其相互作用的TAC发生终末分化。通过数学模型分析，他们发现，干细胞表面Notch配体Delta的表达量(d)必须高于一个临界值(d_Cr)，才能维持表皮中终末分化细胞(TDC)的数量。当d < d_Cr时，TDC的数量为零，系统处于不稳定的稳态；当d > d_Cr时，TDC的数量随d的增加而线性增加，系统处于稳定的稳态。这一发现为干细胞的鉴定提供了一个定量的功能标准。

2. Notch、Wnt和YAP活性在TAC中发生振荡

通过分岔分析，研究人员发现，在特定的参数范围内，TAC中的Notch、Wnt和核YAP活性，以及干细胞中的Wnt活性，均表现出极限环振荡。这意味着这些信号通路的活性并非恒定不变，而是以一定的周期在高低之间循环。这种振荡行为是系统固有的动力学特性，而非外部驱动的结果。

3. 振荡行为在随机扰动下具有鲁棒性

为了检验这种振荡行为在真实的生物环境中是否稳定，研究人员在模型中引入了随机噪声，以模拟分子水平的随机波动。结果显示，尽管存在随机扰动，Notch、Wnt和核YAP活性的平均轨迹仍然非常接近确定性模型预测的轨迹，且波动范围相对较窄。这表明，表皮调控网络具有强大的鲁棒性，能够在分子噪声的干扰下维持其振荡行为。

4. 系统在特定参数下表现出双稳态

当模型参数发生变化时，系统会从振荡态转变为双稳态。在双稳态下，细胞可以处于两种不同的稳定状态：一种是低Notch活性、高Wnt活性的状态，另一种是高Notch活性、低Wnt活性的状态。然而，研究人员指出，双稳态系统无法解释TAC是如何在干细胞的诱导下发生分化的，因此，振荡系统是解释表皮分化过程的更优机制。

5. 振荡驱动细胞周期进程和终末分化

研究人员将振荡行为与细胞周期进程联系起来，提出了一个两周期模型。在第一个周期中，Wnt活性的峰值驱动TAC进入G1期和S期，而核YAP活性的峰值则促进p73的转录，并确保S期基因组的完整性。在第二个周期中，Wnt活性的峰值再次驱动细胞通过G2期和M期，而此时核YAP活性处于低谷，导致胞质YAP水平升高。高水平的胞质YAP与已经积累的p73结合，从而启动终末分化程序。最终，Notch活性达到峰值，促使细胞发生不对称分裂，产生一个TAC和一个TDC。

6. 终末分化后振荡停止

当TAC分化为TDC并迁移到基底层以上后，由于失去了整合素信号，核YAP活性的调控被解除。此时，TDC中的Notch活性稳定在高水平，Wnt和核YAP活性稳定在低水平，振荡行为停止。这种稳定的高Notch活性状态使细胞退出细胞周期，维持其终末分化状态。

结论与讨论

本研究通过一个精密的数学模型，揭示了Wnt、Notch和YAP/TAZ信号通路在表皮分化过程中的核心作用。研究证实，表皮干细胞的功能性定义与其表面Delta配体的表达量密切相关，该表达量必须高于一个临界值才能维持组织稳态。更重要的是，研究首次提出并验证了TAC中信号通路活性的振荡是驱动细胞周期进程和终末分化的关键机制。

这种振荡机制具有重要的生物学意义。首先，它解释了TAC如何在与干细胞的相互作用中被精确诱导分化。其次，它提供了一个动态的框架，将细胞周期进程与分化程序紧密联系起来。最后，该模型预测，完成一个细胞周期和分化过程需要两个振荡周期，这与细胞周期与昼夜节律钟的关联相一致，暗示了表皮更新的节律性。

该研究不仅深化了我们对表皮稳态维持机制的理解，也为理解其他组织的干细胞分化和再生提供了新的理论视角。此外，该模型所揭示的振荡和双稳态等动力学行为，可能为皮肤疾病（如皮肤癌）的发生和发展提供新的解释。