生态位依赖性氧化还原调控器通过IDH1-HIF1α轴决定远端结肠上皮干细胞命运

《Nature Communications》：A niche-dependent redox rheostat regulates epithelial stem cell fate

本研究揭示了远端结肠隐窝基底生态位通过低氧和Wnt信号协同上调NOX1表达，维持细胞氧化还原稳态，进而通过调控IDH1酶活性和α-酮戊二酸水平影响HIF1α稳定性，最终调节肠道干细胞自我更新与分化的平衡。该发现阐明了区域特异性生态位因子通过代谢-转录耦合网络调控干细胞命运的新机制，为远端结肠疾病治疗提供新靶点。

　　

在人体这个精密的生命体中，肠道上皮作为抵御外界环境的第一道防线，其惊人的更新速度令人叹为观止——每5-7天就会完全更替一次。这场持续的“新生”盛宴由隐藏在肠道隐窝底部的肠道干细胞（ISC）主导，它们如同生命的源泉，不断分化产生各种功能细胞。然而，一个长期困扰科学界的谜团是：为何结肠远端（如乙状结肠和直肠）更易发生炎症性肠病和肿瘤？这种区域特异性暗示着不同区段的肠道干细胞可能处于独特的微环境之中。

近日，《Nature Communications》发表的一项研究揭开了这一谜题的关键面纱。研究人员发现，远端结肠隐窝基底特有的低氧生态位与Wnt信号协同作用，通过调控NADPH氧化酶1（NOX1）依赖的活性氧（ROS）水平，如同一个精确的“氧化还原调控器”，决定着肠道干细胞的命运走向。这一发现不仅解释了为何结肠远端更容易发生疾病，更为我们理解干细胞微环境调控提供了全新视角。

为了深入探索这一科学问题，研究团队运用了多种前沿技术手段：通过基因编码的氧化还原探针（roGFP2-Orp1）小鼠模型实时监测细胞内过氧化氢动态；利用单细胞RNA测序（scRNA-seq）解析细胞异质性；采用类器官培养系统模拟体内微环境；结合氧化还原蛋白质组学筛选关键靶点；并通过谱系追踪技术（Lgr5^creERT2/+；Rosa26^tdtomato）在体验证干细胞命运。人源样本包括健康儿童乙状结肠活检组织和NOX1功能缺失突变（p.N122H）的早发性炎症性肠病（VEOIBD）患者样本。

NOX1控制远端结肠隐窝基底干细胞的氧化还原状态

研究人员首先发现，Nox1的表达具有明显的区域特异性——主要富集于远端结肠（而非近端结肠）的隐窝基底区域，与Lgr5⁺干细胞共定位。通过构建肠道上皮特异性氧化还原报告小鼠（R26-roGFP2-Orp1^Villin），他们证实远端结肠隐窝基底确实处于相对氧化的状态，而NOX1缺失（NOX1^KO）则导致该区域氧化水平显著降低。类器官实验进一步验证，NOX1是维持细胞内氧化还原平衡的关键因素。

NOX1来源的ROS调节稳态和再生过程中自我更新与分化的平衡

在稳态条件下，NOX1^KO小鼠远端结肠表现出隐窝深度变浅、细胞增殖减少（BrdU掺入降低）及分泌细胞（如杯状细胞）比例增加。在禁食-再喂养再生模型中，WT小鼠再喂养后Nox1表达和细胞H₂O₂水平同步上升，伴随Ki67⁺增殖细胞增加，而NOX1缺失则显著削弱这一再生过程。类器官实验表明，抗氧化剂NAC可模拟NOX1缺失表型，而氧化剂diamide则可部分挽救NOX1^KO类器官的缺陷，证明NOX1通过调节氧化还原平衡影响干细胞行为。

肠道干细胞内在的NOX1功能调节远端结肠自我更新和细胞命运

通过Lgr5报告小鼠（NOX1^KO；Lgr5^creERT2/+）研究发现，虽然NOX1缺失不影响Lgr5⁺干细胞比例，但其功能受损——BrdU掺入减少，类器官形成能力下降。谱系追踪实验（NOX1^KO；Lgr5^tdTomato）显示，NOX1缺失导致干细胞自我更新能力降低（tdTomato⁺EGFP⁺子代干细胞减少），表明其改变了干细胞命运决策。

功能性NOX1调节远端结肠ISC和短暂扩增细胞的细胞周期进入

scRNA-seq分析揭示，NOX1缺失导致远端结肠上皮细胞聚类分布改变，干细胞向短暂扩增细胞（TA）过渡异常。伪时间轨迹分析发现，NOX1缺失使TA细胞阻滞在早期（Lgr5^highKi67⁺），细胞周期相关转录因子（如E2F家族）表达紊乱，更多细胞停滞在G0/G1期，S期细胞减少，表明NOX1通过促进细胞周期进程维持干细胞增殖。

功能型NOX1缺失通过调节IDH1酶活性重构ISC代谢

氧化还原蛋白质组学筛选发现，异柠檬酸脱氢酶1（IDH1）是NOX1依赖的关键氧化修饰靶点。NOX1缺失导致IDH1酶活性升高，细胞内α-酮戊二酸（αKG）水平增加。代谢分析显示NOX1^KO细胞糖解解能力（ECAR）下降而氧化磷酸化（OCR）增强。外源αKG可模拟NOX1缺失表型抑制增殖，而IDH1抑制剂则可挽救NOX1^KO类器官的增殖缺陷，表明NOX1-ROS-IDH1-αKG轴是代谢调控的核心环节。

远端结肠隐窝基底生态位的氧环境通过HIF1α信号调节NOX1表达和功能

机制上，远端结肠隐窝基底具有更高的低氧诱导因子1α（HIF1α）稳定性。无菌动物实验排除了微生物的调控作用，表明低氧是主导因素。染色质免疫共沉淀（ChIP）证实HIF1α和TCF4（Wnt信号下游）可直接结合Nox1启动子区域，低氧和Wnt3a协同诱导Nox1表达。HIF1α抑制剂LW6处理可降低细胞内氧化水平，模拟NOX1缺失表型，证明HIF1α-NOX1形成正向调控环路。

细胞氧化还原平衡协调代谢状态和生态位因子控制ISC命运

整合分析表明，NOX1缺失导致细胞内还原型谷胱甘肽（GSH）与氧化型谷胱甘肽（GSSG）比值升高，细胞处于相对还原状态。这种“还原应激”通过升高IDH1活性和αKG水平，抑制PHD（脯氨酰羟化酶）对HIF1α的降解，破坏HIF1α稳定性，形成恶性循环。人为改变氧化还原平衡可相应调节IDH1活性和HIF1α稳定性，并影响细胞周期进程。临床样本分析显示，携带NOX1错义突变（p.N122H）的VEOIBD患者结肠活检中隐窝基底HIF1α稳定性降低，增殖细胞减少，与小鼠模型表型一致。

这项研究系统阐明了远端结肠特有的低氧生态位通过HIF1α/TCF4转录调控NOX1表达，维持细胞内氧化还原平衡，进而通过调节IDH1酶活性和αKG代谢水平影响HIF1α稳定性，最终精确调控干细胞命运抉择的分子环路。这一“氧化还原调控器”模型揭示了区域特异性生态因子通过代谢-转录耦合网络调控组织稳态的新范式，不仅为理解肠道区域特异性疾病易感性提供了机制解释，也为靶向细胞代谢和氧化还原平衡的疾病治疗策略开辟了新途径。