果蠅腸道干細胞及腸道菌群的研究進展

金秋霞 王思宏 金麗華

（1. 東北林業大學生命科學學院，哈爾濱 150040；2. 延邊大學分析測試中心，延吉 133002）

腸道上皮對內部和外部環境做出應答，通過免疫反應、腸道菌群和干細胞的增殖及分化來調節腸道穩態［1］。黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）的腸道干細胞形態、功能及信號通路與哺乳動物類似。另外，果蠅腸道內聚集著一定數量的共生菌群［2］，與人類的腸道菌群和結構具有較高的保守性。因此，果蠅可以作為研究宿主與菌群相互作用的重要模型［3］。果蠅基因組和共生菌群遺傳模型已廣泛應用于宿主與微生物之間復雜關系的研究［4］。本文將介紹和討論果蠅腸道干細胞增殖與分化機制，以及共生菌群對腸道穩態的影響，旨為揭示人類腸道相關疾病的發生和治療奠定理論基礎。

1 果蠅腸道上皮細胞種類

動物腸道上皮不僅是消化和吸收的場所，也是機體防御外來入侵物的第一道屏障［5］。腸道干細胞通過增殖和分化維持腸道上皮細胞穩態，此過程失衡將導致腸道炎癥或腸道腫瘤的發生。腸上皮暴露于動態且復雜的病原體中，宿主與微生物的相互作用能夠影響宿主免疫系統的發育、消化和營養吸收等。模式生物果蠅腸道上皮細胞的更新機制與哺乳動物小腸細胞高度相似，信號傳導途徑也具有一定的保守性［6］。

果蠅中腸是一個由特殊細胞組成的動態器官，分為5個不同形態和功能區域（R1-R5）。每個區域均由多功能腸道干細胞（intestinal stem cells，ISCs）、成腸細胞（enteroblasts，EBs）、腸內分泌細胞（enteroendocrine cells，EEs）、腸上皮細胞（enterocytes，ECs）和內臟肌肉（visceral muscles，VMs）組成（圖1）。ISCs主要位于中后腸，并在整個成蟲階段不斷增殖從而完成自我更新，同時也能分化為EBs。另外，EBs繼續可以分化為 ECs或 EEs［7-8］；但研究發現，EEs也可以通過ISCs分化產生的EE祖細胞（EEP）形成［9-10］。

前體細胞（ISCs&EBs）特異性表達Snail/Slug家族的轉錄因子 escargot（esg）［11］。ISCs表達 Notch途徑配體Delta，并能激活相鄰EBs細胞Notch的胞內結構域，使Su（H）進核誘導下游靶基因的表達。ECs特異性表達Myosin1A和Pdm1［12］，并感知外界信號刺激，在病原體感染時發揮主要的免疫防御作用。少量且零散的EEs細胞分泌轉錄因子prospero（pros）、神經肽TK及DH31等，EEs細胞主要介導器官和器官間的信號傳遞，通過分泌多種神經內分泌肽遠距離調節代謝和腸蠕動等多種重要的生理過程［13］。研究表明，由EEs分泌的slit是ISCs中Robo2的配體，對EEs自身的分化具有重要的調節作用［14］；轉錄因子esg也會通過抑制pros調控EEs細胞選擇性地分化［15］；另外，發現EBs表達的轉錄因子Klumpfuss同樣抑制EEs細胞的形成［16］。內臟肌肉（VMs）通過胃腸系統協調營養物質和廢物的運輸，促進蠕動的同時可以分泌信號因子調節腸內穩態［17］。

2 果蠅腸道干細胞增殖與分化相關信號通路

腸道內含有大量的多能性干細胞，可修復腸道受損以保持其功能完整性。通過對果蠅腸道干細胞的增殖與分化信號轉導途徑的深入研究，發現Hippo、JNK、Notch等信號通路對腸道干細胞的增殖及分化起著重要的調控作用［18］。另外，研究表明，炎癥與老化等應激脅迫條件會促進腸道干細胞增殖及分化［19-20］

圖1 成蟲果蠅中腸細胞類型（A）及果蠅腸道干細胞增殖與分化（B）［9-10］Fig.1 Adult Drosophila midgut cell types (A) and proliferation and differentiation of Drosophila intestinal stem cells（B)

在果蠅中，經典Hippo信號傳導途徑的核心激 酶 包 括 Hippo、Warts（Wts）、Salvador（Sav） 和Mob腫瘤抑制因子（Mats），Wts與Mats相互作用可觸發Yorkie（Yki）磷酸化，進而和下游轉錄因子Scalloped（Sd）形成的Yki-Sd復合物，不僅可以抑制下游信號轉錄，還會通過促進核內Unpaired表達，誘導免疫應答［21］。研究發現，Sd結合蛋白可以抑制由Hippo信號缺失引起ISCs過度增殖現象［22］。另外，非經典Hippo信號傳導途徑，其核心激酶Wts能夠以一種獨立于經典轉錄復合物Yki-Sd的方式與轉錄因子Lola相互作用，通過細胞自主性和非細胞自主性方式同時調控ISC增殖［23］。c-Jun氨基末端激酶（JNK）作為果蠅應激反應的主要調節途徑，是絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）家族之一。該通路在受到刺激后通過蛋白激酶的級聯反應引起細胞應答，促進EGFR配體的表達［24］，通過激酶磷酸化級聯反應激活MAP kinase kinase 4和Hemipterous，引起basket活化，從而促進ISCs增殖和再生，補充受損細胞［25-26］。

Notch信號通路進化上高度保守，由受體、配體及胞內效應分子組成。果蠅中單通道跨膜受體蛋白Notch有膜蛋白Delta和Serrate兩種配體［27］，通過細胞間直接接觸觸發配體與受體的胞外結構域結合，酶切形成Notch的胞內域（NICD）進入細胞核，激活相關基因表達，從而調控細胞分化［28］。果蠅腸道中Notch通路的激活促使ISCs-EBs-ECs分化，從而降低了ISCs的數量；相反，抑制該通路會使ISCs和EEs增多，形成ISCs或EEs腫瘤。Wg/Wnt信號通路以蛋白分子擴散與受體結合的方式完成信號傳遞，在干細胞中的配體Wingless（Wg）與位于細胞表面的受體Frizzled結合，與下游基因Dishevelled和Armadillo控制自身增殖，但不參與后續分化［29］；由VMs和EBs旁分泌的Wg也起著同樣重要的作用。不同于Wg/Wnt信號，Jak/Stat信號參與ISCs分化調節過程。ECs在應激條件下會釋放細胞因子（Upd、Upd2、Upd3）， 激 活 ISCs中 Jak/Stat信 號， 促 進細胞分裂，從而維持ISCs的自我更新；高水平的Jak/Stat則會促進干細胞向ECs分化［30］。果蠅腸道穩態是多種信號通路共同調控的結果，其更加具體而復雜的調控網絡仍需要進一步深入探究。

3 腸道菌群

腸道上皮細胞與腸道菌群之間存在相互作用以維持腸道穩態。腸道菌群是一種內分泌型器官，是與宿主共同進化形成的極為復雜的微生態系統。菌群對機體產生免疫刺激，使宿主形成免疫屏障，維持機體自身免疫系統的生長發育［31］。腸道菌群既可以介導宿主的營養信號網絡，從而調節營養分配模式；又可以通過補充營養物質和消耗飲食成分改變機體營養輸入［32］。腸道菌群通過糖、脂質以及氨基酸等物質的代謝來調節免疫系統的發育和復雜的行為，并且通過腸-腦軸、腸-肝臟軸等來影響人類的情緒、心理健康和行為等［33］。腸道菌群失調可導致腸道通透性增加，引起腸漏，進一步導致細菌移位產生炎癥［34］，促進腸道疾病甚至腸道腫瘤的發生［35］。但是，目前關于腸道微生物群如何影響宿主行為、腸道內穩態及內部所涉及的分子和細胞調節機制還不清楚。

果蠅作為共生微生物群遺傳模型已被廣泛應用于腸道菌群的研究中［4］。果蠅生活在富含微生物的環境，為了確保其存活，已經開發了一系列防御機制，尤其腸道免疫反應在響應和消除潛在病原體的同時耐受腸道微生物群和飲食微生物的存在。

果蠅腸道菌群可以通過改變腸道內環境，調節宿主基因表達，影響干細胞命運。無菌條件培養的果蠅中腸道干細胞有絲分裂指數較低，表明菌群刺激干細胞增殖更新［36］。腸道菌群通過誘導壓力和耐受機制改變腸道生理環境（通過改變pH和消化酶含量）來保證果蠅腸道上皮更新及干細胞活性［37］。另外，通過菌群與腸道干細胞之間的相互作用，影響果蠅老化及壽命。成蟲期的核心菌群組成相對穩定，但在老化過程中，許多與增殖分化相關的基因表達上調，菌群刺激上皮細胞的基礎更新水平，使ISCs大量增殖，并激活EGFR等信號通路，進而引起腸道內細菌負荷急劇增加。因此，腸道菌群失衡將誘發腸道屏障功能紊亂［38-39］。研究發現，免疫缺陷（Imd）途徑是應對腸道感染的關鍵組成部分，該過程產生的抗菌肽和NADPH氧化酶Duox產生的活性氧（ROS）形成了腸道中兩種互補的防御機制［40］。Imd途徑中肽聚糖識別蛋白PGRP-SD突變引起植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum，Lp）過度生長，Lp分泌的乳酸也隨之增加導致腸道酸化，刺激ROS產生，誘發機體早衰［41］。但果蠅在生命早期階段接觸低劑量的氧化劑可以重塑菌群，改善老化病征進而延長壽命［42］。菌群失衡也會刺激腫瘤生長，其中，JNK信號活性水平對維持上皮屏障功能和宿主-微生物平衡起重要調節作用［43］。另外，果蠅組蛋白去甲基化酶KDM5通過調控先天免疫通路影響腸道屏障和菌群組成，經腸-腦軸改變果蠅社會行為，并靶向干預腸道菌群可在一定能程度上改善果蠅的社會行為異常現象［44］；果蠅腸道微生物中的短乳桿菌能夠產生負調控章魚胺（昆蟲中的獎賞信號）信號途徑的木糖異構酶，進而抑制果蠅的運動能力［45］。

細菌通過產生小分子代謝物向大腦發送信號影響動物的行為來調節飲食行為［46］，同時進食也會直接影響腸道菌群的組成，長期則會改變菌群的定植［47］。高脂飲食能引起腸道菌群組成發生變化、腸道屏障功能受損，進而引起慢性炎癥反應或腸道干細胞的異常增殖引發腫瘤性病變［48］。研究發現，連續喂食8周高脂食物的母鼠后代出現社交行為缺陷，幼鼠腸道的羅伊氏乳桿菌含量明顯減少，表明腸道微生物群衍生的信號分子影響了腸道內穩態［49］。而果蠅中的高脂飲食通過JNK和Jak/Stat途徑激活ECs中的細胞因子表達，完全依賴于細菌數量調控，間接誘導干細胞活性增加［50］。

腸上皮細胞與微生物及其代謝物的相互作用是腸上皮與其他細胞類型之間相互作用的關鍵介質。研究發現，在腸道內轉運并促進脂肪吸收的膽汁酸［51］這類腸道菌群的代謝產物可以調控機體代謝及免疫反應。果蠅腸道中的細菌能夠產生一種短鏈脂肪酸-醋酸鹽，醋酸鹽對果蠅自身的脂肪代謝和胰島素信號傳導至關重要。細菌來源的尿嘧啶會調節腸道內活性氧（ROS）水平［52］，說明腸道微生物可以通過與先天性免疫協同作用影響體內代謝過程。EE細胞分泌與脂質代謝和能量穩態相關的肽，這些肽可以被微生物代謝物（如短鏈脂肪酸，SCFA）激活，完成微生物與宿主免疫系統之間的信號交流［53］。

4 總結與展望

腸道微生態系統是與機體健康息息相關的微生態系統，一方面，細菌本身依賴于宿主體內環境及攝入的食物養分；另一方面，細菌希望宿主具有群居性，這樣有利于繁衍多樣性的后代。果蠅腸道已然成為研究消化道疾病的重要模型［54-55］，果蠅因其遺傳和生理上操作的簡便性及自身相對簡單的微生物群為研究宿主-微生物提供了良好的系統。然而，腸道上皮細胞對微生物的響應復雜且多樣，針對腸道干細胞與菌群之間的研究仍有許多問題有待解決。首先，果蠅腸道內的微生物群結構沒有哺乳動物復雜，微生物對宿主的影響是否具有特異性，仍有必要深入研究。其次，操縱菌群的手段尚不明確，相關的信號傳遞通路尚不清晰，腸道菌群是如何建立和維持長期腸道定植尚不清楚。總而言之，免疫系統與菌群的研究仍舊處于探索階段，利用果蠅研究共生菌與宿主的相互關系及作用機制可以為人類代謝性疾病以腸道菌群為靶點的治療提供新思路。