作者：荷叶
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众所周知，细胞是真核生物的基本单元，亿兆的细胞构成组织和器官，组织器官再构成个体，而每时每刻都有细胞的衰老死亡与新生。衰老与新生细胞的平衡使成年后个体的组织器官大小形状基本不变。那么机体的细胞死亡与新生是如何维持平衡，其机制是什么呢？
Jackson Liang等通过研究模式生物果蝇的中肠，发现衰老死亡的肠上皮细胞中E-Cadherin表达下调，释放EGF，促进临近肠干/前体细胞增殖分裂，从而维持肠道总体细胞数目不变。文章发表在2017年8月31日《Nature》上，是当期的封面故事，今天荷叶与大家分享该篇文献。
文章解析
第一步，选择研究模型
作者选择模式生物果蝇的肠道作为研究对象。果蝇肠上皮细胞更新很快，便于研究；其肠道结构简单，根据解剖结构可分为5个区域（下图），作者研究R4区的ab段（a，b段细胞基因表达谱极为相似）。
用到的转基因有：
标记肠干/前体细胞：下图f，干细胞标志esg的启动子驱动GFP/LacZ的表达。
肠上皮细胞过表达p35等基因：如下图所示，肠上皮细胞标志mex启动子驱动P35等基因过表达。
第二步，明确现象
是否肠上皮细胞在更新的同时肠细胞的总数无变化？肠上皮细胞凋亡与干/前体细胞增殖分化的关系是怎么样的？
研究发现，诱导4天后绿色肠干/前体细胞增殖分化替代了原有肠上皮细胞（下图a所示）。定量分析发现肠细胞的总数基本无变化（下图e所示）。
进一步，作者发现肠上皮细胞凋亡能够调节肠干/前体细胞的分裂。通过过表达凋亡抑制分子p35，抑制肠上皮细胞凋亡，发现肠干/前体的细胞分裂明显减少，而细胞总数维持不变。
第三步，锁定E-Cadherin作为研究靶标
肠上皮细胞凋亡调节肠干细胞增殖分化的机制是什么？以往对小鼠肠道研究发现E-Cadherin能抑制细胞分裂，因此作者重点关注了果蝇肠道E-Cadherin的变化。研究发现凋亡的肠上皮细胞E-Cadherin表达明显下调。
Knockdown实验发现，肠上皮细胞E-Cadherin敲低不影响肠道的结构和完整性，但是促进肠干/前体细胞增殖。抑制肠上皮细胞凋亡且敲低其E-Cadherin的表达能导致R4ab肠道长度增加，而过表达E-Cadherin则能抑制肠干/前体细胞分裂增殖。
阴性对照 阳性对照（染料扩散全身） E-Cadherin RNAi组（蓝色染料未扩散）
第四步，深入研究凋亡肠上皮细胞E-Cadherin调控肠干/前体细胞增殖分裂的机制
肠上皮细胞的E-Cadherin是如何调控肠干/前体细胞的分裂增殖呢？直接细胞间相互作用？研究发现敲低肠干/前体细胞的E-Cadherin不影响干细胞的分裂增殖，提示是通过中间的某些分子发挥作用。作者检测了4种E-Cadherin相关的信号途径，发现E-Cadherin敲低诱导肠干细胞EGFR信号相关分子CycE、dpErk等的激活。
而通过AG1478抑制EGFR信号或干扰肠上皮细胞来源的2种EGF（krn和spi）能抑制肠干/前体细胞的分裂，减少R4ab的总细胞数。
肠上皮细胞EGF能作用于多远的肠干/前体细胞，是直接接触的细胞还是扩散到一定范围内的细胞呢？研究发现EGF能向相邻细胞扩散，其作用半径为25-50μm。
肠上皮细胞E-Cadherin到肠干/前体细胞的EGFR通路的中间环节是什么？研究发现敲低或过表达E-Cadherin后EGFR，EGF（vein，krn和spi），EGF的调节因子（Star和argos）的表达无变化，EGF的激活蛋白酶rho表达出现明显改变（敲低E-Cadherin，rho上调，过表达E-Cadherin后rho则下调）。
而且敲低肠上皮细胞rho亦能抑制肠干/前体细胞的增殖分化，导致R4ab肠道缩短萎缩，这些进一步证实E-Cadherin通过rho促进EGF分泌来发挥作用。
作者进一步研究发现，肠上皮细胞生理性凋亡能诱导rho的表达。
那么E-Cadherin是如何调控rho的表达的呢？作者检测了能与E-Cadherin结合的3个转录因子，β-catenin（果蝇中称为Arm），p120-catenin 和 Yap（果蝇中称为Yki），发现敲低E-Cadherin通过β-catenin和p120，特别是p120诱导rho的表达。
综上所述，肠道上皮细胞凋亡诱导肠干/前体细胞增殖机制是：正常状态的肠上皮细胞表达E-Cadherin，结合转录因子β-catenin和p120，抑制它们入核。
当肠上皮细胞发生凋亡时，其E-Cadherin表达下调，β-catenin和p120入核促进rho基因的表达，rho酶切EGF前体使EGF释放增多，扩散到周围，作用于肠干/前体细胞的EGFR途径，使其发生分裂增殖，维持肠上皮细胞总数的稳定。
荷叶点评
1、说到果蝇，荷叶就想到了果蝇的翅膀与Notch信号。可以说果蝇作为模式生物之一，它排除了高等生物中很多混杂的因素，是研究高度保守信号通路的理想模型。
2、目前已知控制器官体积的最重要信号是Hippo信号，本文是对这一领域的强力补充和完善。
3、文章的一个有意思地方是EGF的作用半径，作者划定了2个半径，第一半径25μm，是主要增殖区，第二个半径50μm，次要增殖区，作者推测：当凋亡细胞距离干细胞远时，干细胞增殖能力弱，凋亡细胞补充不够，细胞间距缩短；当凋亡细胞与干细胞距离减少时，干细胞分裂增殖多，加大了干细胞与凋亡区的距离，就这样增加、缩短距离，维持动态的平衡。能否基于此建个数学模型呢？
4、在研究EGF时，荷叶觉得如果能对分泌的EGF进行染色，结果就更好了。
5、细胞凋亡诱导干细胞分裂、补充损失时，必然有干细胞不对称分裂和分化成熟，荷叶觉得这个方向还可以深入研究一下。
6、荷叶觉得可以加上p120、β-catenin转录调节rho的机制（也许限于篇幅，文章没提及）
7、文章主要研究是正常生理条件下衰老凋亡肠上皮细胞与干细胞增殖的关系，在病理或疾病模型中又是怎么样的呢？
8、E-Cadherin/rho/EGF的机制是否适用R1，R2，R3，R5呢，亦或其他生物的肠道？
参考文献：
Liang J, Balachandra S, Ngo S, O'Brien LE. Feedback regulation of steady-state epithelial turnover and organ size. Nature. 2017 Aug 31;548(7669):588-591. (doi: 10.1038/nature23678)
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