肺发育与纤维化中上皮-间质细胞竞争通过Snail/Yap分子开关协调组织区室命运转换

《Nature Communications》：Epithelial-mesenchymal cell competition coordinates fate transitions across tissue compartments during lung development and fibrosis

本研究聚焦于肺发育与修复过程中上皮-间质细胞相互作用的协调机制这一关键科学问题。研究人员揭示了肺内存在一种组织尺度的健康度感知范式，即间质Yap水平拮抗上皮Yap水平以决定上皮干细胞命运。研究发现，通过Snail1/2与Yap/Taz结合驱动肺泡成纤维细胞1（AF1）分化，形成支持性微环境；而Yap/Taz-TEAD-Myc结合则指令促纤维化的肌源性程序。重要的是，AF1中Yap/Taz或Myc的缺失导致其凋亡和肺泡干细胞微环境崩溃，进而触发上皮的病理竞争反应——支气管化，模拟了人类肺纤维化特征。这项工作阐明了跨组织细胞竞争协调肺架构的新机制，为靶向间质微环境治疗纤维化疾病提供了新框架。

　　

肺是人体的重要呼吸器官，其复杂的分支状结构和数以亿计的肺泡共同构成了一个巨大的气体交换表面。肺的正常发育和功能维持依赖于上皮细胞和间质细胞之间精确的“对话”。然而，当这种精妙的平衡被打破，例如在损伤修复过程中，就可能引发严重的疾病，特发性肺纤维化（IPF）就是其中之一。IPF是一种致命的间质性肺病，其特征是肺部出现瘢痕组织（纤维化），导致肺功能不可逆地下降。在IPF患者的肺部，研究人员观察到一种被称为“支气管化”的异常现象，即本应是肺泡的区域被类似支气管的上皮细胞所覆盖，形成所谓的“蜂窝肺”。尽管已知Hippo-Yap信号通路在器官大小控制和肿瘤发生中扮演关键角色，但其在肺发育、稳态维持以及纤维化发生过程中，如何协调不同组织区室（如上皮和间质）细胞命运的具体机制仍不清楚。特别是，间质细胞如何感知并影响上皮细胞的行为，是理解肺纤维化发病机理的核心问题。

为了回答这些问题，来自梅奥诊所的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项重要研究。他们发现，肺内存在一种基于Hippo-Yap通路的组织尺度“健康度”感知机制，上皮细胞和间质细胞通过比较彼此的Yap水平来进行“竞争”，从而协调肺的发育和修复。当间质细胞（特别是肺泡成纤维细胞1，AF1）的“健康度”（由Yap/Taz或Myc水平代表）下降时，会被上皮细胞“淘汰”，导致支持肺泡干细胞的关键微环境崩溃。这反而会触发气道干细胞进行一种病理性的修复反应，即支气管化，最终导致肺纤维化。更重要的是，他们揭示了一个关键的分子开关——Snail/Yap调控轴，它控制着间质细胞是分化为支持性的AF1，还是促纤维化的肌成纤维细胞。

本研究综合运用了多种前沿技术手段。研究主体使用了转基因小鼠模型，包括利用Tbx4^rtTA;TetCre、Plin2^CreERT2、Scube2^CreERT2、Acta2^CreERT2等诱导型Cre工具鼠在特定细胞类型（如肺间质、AF1、肌成纤维细胞）和时间点（胚胎期或成年损伤后）条件性敲除Yap1/Wwtr1、Stk3/4、Snai1/2、Myc等基因。研究团队构建了博来霉素诱导的小鼠肺纤维化模型。在技术层面，关键方法包括：1. 单细胞多组学测序（10x Genomics单核多组学ATAC+基因表达测序和单细胞固定RNA分析），用于分析胚胎肺和纤维化肺中不同细胞群体的转录组和染色质可及性；2. 免疫组织化学/免疫荧光染色，用于蛋白水平的空间定位和定量分析；3. 谱系追踪（如Rosa26-mTmG报告系统），用于追踪特定细胞群体的命运；4. 羟基脯氨酸含量测定，用于评估肺组织总胶原沉积（纤维化程度）；5. 生物信息学分析，包括ArchR、Scanpy、Spectra（监督通路反卷积）、Monocle 3（轨迹推断）等，用于深度挖掘单细胞数据。此外，还整合了已发表的人类IPF单细胞RNA测序数据集进行跨物种比较分析。

研究结果

Yap/Taz与Snail1/2结合驱动肺发育过程中的肺泡成纤维细胞1分化

研究人员发现，在肺发育过程中，间质细胞中的Hippo-Yap信号通路对肺泡成纤维细胞1（AF1）谱系的定向起着关键作用。从胚胎期9.5天（E9.5）开始，利用Tbx4^rtTA;TetCre系统在肺间质中条件性敲除Yap/Taz，会损害AF1的分化（标志物如Scube2和Plin2表达减少）。相反，敲除Hippo激酶Mst1/2（Stk3/4）则会促进AF1的提前分化。进一步研究表明，转录因子Snail1和Snail2与Yap/Taz形成复合物，共同调控这一过程。当Snail1/2缺失时，染色质可及性分析显示，调控脂肪生成（AF1特征）的CEBP结合基序可及性降低，而促进肌源性分化的Tead、Stat以及生肌调节因子（MyoD, Myf5, MyoG）的结合基序可及性增加。这表明Snail/Yap像一个分子调节器（rheostat），控制着间质细胞是走向支持性的脂肪生成程序（分化为AF1），还是走向收缩性的肌源性程序（分化为肌成纤维细胞）。

间质Yap水平拮抗上皮Yap水平以协调组织区室命运

研究还发现，间质Yap的水平能够影响上皮Yap的活性，从而协调肺的发育程序。在间质特异性敲除Yap/Taz的胚胎肺中，上皮细胞的Yap水平升高，并且肺发育停滞在分支形态发生阶段，向肺泡分化阶段的转换受阻。相反，在间质中过表达持续激活的Yap1^S112A则导致上皮Yap水平降低，并激活强烈的肌源性分化程序，平滑肌细胞增多。这表明在肺发育过程中，间质Yap水平拮抗上皮Yap水平，共同决定了气道上皮分化还是肺泡上皮分化。

AF1中Yap/Taz缺失通过微环境崩溃促进肺纤维化中的支气管化

在成年肺纤维化模型中，研究人员在AF1细胞中特异性敲除Yap/Taz（使用Plin2^CreERT2、Scube2^CreERT2等多种Cre工具鼠验证），然后诱导博来霉素损伤。令人惊讶的是，与促进AF1分化的发育表型相反，在损伤环境下，AF1中Yap/Taz的缺失导致其细胞适应性（fitness）下降，大量发生凋亡。由于AF1是肺泡II型（AT2）干细胞的关键微环境，AF1的丢失进而导致AT2细胞死亡，造成肺泡微环境的整体崩溃。这种微环境崩溃触发了一种病理性的再生反应：远端气道干细胞（具有高Yap/Myc活性）成为“超级竞争者”，它们填充受损的肺实质，但产生的不是功能性的肺泡，而是异常的支气管样上皮（即支气管化），并伴有更严重的肺纤维化。单细胞RNA测序分析发现，在AF1中敲除Yap/Taz的纤维化肺中出现了一个异常的基底样细胞群体，该群体高表达Krt5、Krt17、Yap1、Gdf15，并显示出推断的Myc转录活性升高。通路分析表明这些细胞发生了深刻的代谢重编程，呈现出类似癌细胞的超增殖状态，这解释了其“超级竞争者”表型的分子基础。该细胞群体与人类IPF中发现的异常基底样细胞高度相似。

肺泡成纤维细胞1的健康度由其Myc水平决定

鉴于Yap和Myc在促进细胞增殖中的协同作用，研究人员进一步探讨了Myc在AF1中的作用。在AF1中条件性敲除Myc后，同样观察到了支气管化加剧和肺纤维化加重，这表明Myc是决定AF1细胞适应性、防止其在损伤环境中被上皮细胞“淘汰”的关键因子。

肌成纤维细胞向肺泡成纤维细胞1去分化需要Yap/Taz/Snail1/2转录程序

肺纤维化在特定条件下可以部分缓解，其中肌成纤维细胞去分化为AF1或通过凋亡被清除是重要环节。研究人员在博来霉素损伤后2周（纤维化形成期），利用Acta2^CreERT2在肌成纤维细胞中敲除Snai1/2，以研究其在纤维化消退中的作用。结果显示，Snai1/2的缺失阻碍了肌成纤维细胞向AF1的去分化和/或清除。单细胞测序分析发现了一个停滞的、具有促纤维化特征的AF1亚群（AF1-SS），该群体高表达纤维化相关基因，并持续激活促纤维化、促炎症（TNF-α和IL6-JAK-STAT3信号）和细胞应激（未折叠蛋白反应）通路，阻碍了纤维化的消退，导致更严重的纤维化。

研究结论与意义

本研究揭示了肺脏通过一种跨组织的细胞竞争系统来维持其形态和功能，其中上皮和间质细胞群体通过Hippo-Yap通路感知彼此的“健康度”。研究的核心发现是一个由Snail/Yap调控轴控制的分子开关，它决定了肺间质细胞的命运走向：是分化为支持肺泡再生的AF1，还是分化为促进纤维化的肌成纤维细胞。

这项研究的重要意义在于提出了一个肺纤维化发生的新模型：“微环境崩溃”模型。传统观点可能更关注“获胜”的上皮细胞的异常活跃。而本研究则表明，纤维化（以支气管化为代表）的起始原因，可能源于间质支持细胞（AF1）因自身“健康度”下降（如Yap/Taz或Myc缺失）而率先被淘汰，导致肺泡干细胞微环境崩溃，从而错误地指令气道干细胞进行病理修复。这为理解纤维化疾病提供了新视角，将关注点引向了“失败”的间质。

此外，研究对纤维化中出现的异常基底样细胞进行了深入的分子表征，揭示了其类似癌细胞的代谢重编程状态，连接了病理性的肺重塑与癌症代谢、干细胞生物能学等领域。最后，研究指出在肌成纤维细胞中促进Snail1/2高表达、Yap低活性的状态，可能成为一种促进纤维化消退的治疗新策略。

总之，这项工作阐明了协调肺架构形成和修复的基本机制，为开发针对肺纤维化等毁灭性肺部疾病的新疗法提供了重要的理论依据和潜在的干预靶点。