频率编码调控小肠中的细胞类型组成

《SCIENCE》：Frequency encoding regulates cell type composition in the small intestine

编者摘要

在肠上皮组织中，干细胞以及已分化的分泌细胞和吸收细胞整齐地排列在隐窝和绒毛的褶皱中，并每隔几天进行更新。这些细胞的命运受到生长因子Notch的影响。Weterings等人利用小鼠转录报告系统发现，Notch信号的振荡及其随后产生的转录抑制因子Hes1，其振荡周期沿隐窝-绒毛轴呈空间梯度变化（另见Ellis的评论文章）。他们进一步利用微流控技术在三维类器官中对振荡进行调控，证明周期变化会导致沿该梯度上细胞命运的不同变化。因此，干性状态和增殖得以在隐窝底部维持，而细胞沿轴向下逐渐分化。——L. Bryan Ray

结构化摘要

引言

肠上皮组织不断自我更新，需要在干细胞自我更新与向吸收细胞和分泌细胞类型分化之间维持精确的平衡。Notch信号通路已知可调控这一过程：高Notch活性促进吸收细胞命运，而低活性则驱动分泌细胞分化。但肠道如何实现并维持各细胞类型的平衡比例仍不清楚。一个候选调控因子是Hes1（hairy and enhancer of split 1），它是Notch靶蛋白，因其自身的抑制性反馈环路而具有内在的振荡倾向。这种振荡行为是否在肠细胞命运决定中发挥功能作用，此前尚未得到验证。

研究思路

我们假设，细胞命运决定的生物学信息可以编码在Notch驱动的振荡动力学中——而非仅仅在于信号水平——这一概念被称为动态信号编码。为了验证这一假设，我们利用荧光Hes1报告小鼠品系，在单细胞分辨率下观察活体肠组织和类器官中Hes1的动力学。我们结合高通量活体成像、自动化单细胞追踪、时间序列分析，以及一套可周期性递送Notch信号抑制剂脉冲的定制微流控系统，对类器官中Hes1振荡的动力学进行实验性调控。

结果

Hes1在体内和类器官中的肠干细胞和前体细胞中以超日周期性（约75至200分钟）进行振荡。定量单细胞追踪揭示了振荡频率的空间梯度：靠近隐窝基底的细胞快速振荡（约90分钟周期），而沿隐窝-绒毛轴更远处的细胞振荡逐渐减慢（约170分钟周期）。Notch和Wnt（wingless-related integration site）信号通路以及细胞周期阶段均会调节这一梯度。利用我们的微流控同步系统，我们证明强加90分钟的振荡会增加干细胞、前体细胞以及潘氏细胞的数量，而130分钟的振荡则促进更广泛的分泌细胞谱系分化。值得注意的是，这些效应并非由总体Notch信号水平的变化引起，证实振荡频率本身就携带了指导信息。

结论

我们提供了频率编码的证据——即通过分子振荡的周期性传递生物学信息——该机制调控肠上皮中的细胞类型组成。特定的Hes1振荡频率促进不同的细胞命运：快速振荡有利于干细胞维持和潘氏细胞分化，而较慢的振荡则与其他分泌细胞的分化相关。Hes1振荡网络似乎作为多种上游信号的信息整合中枢，通过频率调节将其转化为分化结果。这一机制对于理解组织稳态、再生和癌症可能具有更广泛的意义。

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肠细胞命运的频率编码。

Notch驱动的Hes1振荡贯穿整个肠隐窝，并从隐窝基底向绒毛形成周期梯度。其动力学受细胞周期进程以及Wnt和Notch信号活性的调节。对固有振荡的实验性同步表明，特定的振荡频率促进不同的细胞命运，揭示了频率作为参与肠细胞命运决定的附加信息编码层面。

摘要

肠稳态需要对干细胞维持以及向吸收细胞和分泌细胞类型分化进行精密调控，这两者是肠道的两大主要谱系。虽然已鉴定出关键的信号通路，但它们如何平衡细胞类型组成仍不清楚。我们发现了Notch靶蛋白Hes1（hairy and enhancer of split 1）的振荡表达，该表达以频率依赖方式控制细胞命运决定。内源性荧光Hes1报告系统揭示了沿隐窝-绒毛轴形成的、具有细胞类型特异性的不同振荡频率，该梯度受细胞周期阶段以及Wnt信号和Notch信号活性的调节。我们开发了一套微流控系统来调节类器官中Notch信号振荡，发现振荡频率可调控细胞类型组成的平衡。本研究提供了证据表明，细胞命运决定的信息编码在振荡信号的频率中。