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Cell | 肠道平滑肌如何“按部就班”?

日期:2019-09-20 14:32:28 来源: BioArt 点击:

脊椎动物的肠道主要由两大结构组成,一是来自内胚层的上皮细胞,二是包裹在外面的来自中胚层的若干层平滑肌。在胚胎时期,这些肌肉层可以牵引间充质和内胚层,从而促使肠道绒毛的形成【1】和肠道干细胞的正确定位【2】。与此同时,肌肉层自身也会逐渐发育成熟。通过对alpha平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle,简称SMA)染色发现,处于内层的括约肌(circumferential layer)先形成,而处于外层的横纹肌(longitudinal layer)后形成【3】虽然学界对于肠道平滑肌的形成过程已经有了颇为深入的了解,但是,对于肌肉细胞如何在正确的时间,出现在正确的位置,也就是如何“按部就班”,却知之甚少。


2019年9月19日,来自哈佛大学医学院的Clifford J Tabin团队在Cell杂志上发表题为Genetic and Mechanical Regulation of Intestinal Smooth Muscle Development的文章,发现调控平滑肌发育的两大信号通路:Hedgehog 信号通路和Bmp信号通路可以调控肌肉层的定位。Hedgehog信号通路作用于Bmp,牵引括约肌定位至肌肉内层,而Bmp对接下来横纹肌的形成以及定位在肌肉外层也有着至关重要的作用。而静息张力和环状张力则是平滑肌正确排列的物理因素。



首先,作者进一步探讨了Hedgehog信号通路和Bmp信号通路与平滑肌形成之间的关系。以鸡卵发育为模型,通过使用不同浓度的Hedgehog信号的抑制剂环巴胺(cyclopamine)和激动剂Shh,作者发现,Hedgehog信号通路的功能具有很强的剂量和空间依赖性,在高浓度和靠近内胚层时,抑制平滑肌发育,而在低浓度和远离内胚层时,促进括约肌发育,并形成一个明显的环状结构。此外,作者发现,Hedgehog信号通路的活化水平与BMP4的表达水平正相关,而BMP4是Bmp信号通路中的重要成员,所以,作者猜测,这二者之间很可能存在调控关系。分别过表达BMP4重组蛋白和其拮抗分子Noggin可以有效地分别抑制和促进肠道平滑肌的形成,而在高浓度Hedgehog信号存在时,加入Noggin可以逆转其对平滑肌发育的抑制作用。这些结果说明,高水平Hedgehog信号可以通过BMP4抑制肠道平滑肌的形成发育。


接下来,作者分别研究了上述信号对括约肌和横纹肌这两层肠道平滑肌的不同作用。通过在小鼠中胚层细胞(Twist2-cre)和神经脊细胞中(Wnt1-cre)特异性敲除BMP4的拮抗分子Noggin和Gremlin1发现,单独敲除任一分子对平滑肌并不产生影响,但是,两个分子同时敲除,就会出现横纹肌发育不良的现象,当然,此时还伴随Bmp信号的过度活化。由上面结果可以看出,在肠道发育的早起阶段,Bmp信号可以维持间充质处于未分化状态。在括约肌发育完成后,来源于括约肌和肠道神经细胞的BMP4拮抗分子就会发挥作用,抑制BMP4的功能,从而促进横纹肌的发育。


再下来,作者研究肠道平滑肌是否存在张力,以及张力在其发育与定位中的作用。作者给胚胎期的肠腔切开一个小口,过了一段时间,发现肠腔沿着括约肌排列方向逐渐张开,这表示在未分化的间充质中存在沿括约肌方向的静息张力(static strain)。接着,作者比较了呈现圆柱体正常发育的肠腔和沿着肠腔剪开呈平面状发育的肠腔,体外培养72小时后,铺平生长的肠道中平滑肌成熟标志分子CNN1和MYH11的表达明显降低。此外,内层间充质细胞生长速率要明显快于外层。上面这些结果表示,因为内层与外层间充质细胞生长速率的差异所产生的静息张力,是内层括约肌环绕肠腔排列的主要因素。那么,外层的横纹肌排列依靠何种张力呢?括约肌在生长发育时会自发产生环状张力(cyclic strain),作者通过加入钙离子通道抑制剂nifedipine等来抑制环状张力,可以导致横纹肌错误定位,而加入钙离子通道激动剂(S)-(-)-BayK8644则会促进横纹肌排列。另外,位于括约肌和横纹肌之间的肠道神经丛(myenteric plexus)则对此没有影响。综上所述,肠道平滑肌在生长发育中的确存在张力,因细胞生长速率差异所产生的静息张力介导了括约肌的排列,而括约肌所产生的环状张力则介导了横纹肌的排列。


最后,作者在食道和输尿管这两个管状肌肉组织中验证了上述结果。沿着食道横截面半径方向剪开,食道会同时沿着括约肌和横纹肌方向张开,而Bmp信号变化时,食道发育也会发生异常。输尿管同样如此。


Clifford J Tabin团队是研究肠道平滑肌发育的权威之一,他们分别在2013年和2015年阐述了肠道绒毛的形成机制和肠道干细胞的定位机制。在这篇文章中,他们阐明了平滑肌细胞的发育和定位机制,主要分为三点:一是Hedgehog信号和Bmp信号的活化水平和活化位置调控了平滑肌的时空分布。二是细胞生长速率差异所产生的静息张力决定了括约肌的排列三是括约肌生长所产生的环状张力决定了横纹肌的排列。这篇文章的亮点有二,一是完美的承接Clifford J Tabin团队之前的工作,成为“肠道平滑肌机制三部曲”的收官之作。二是使用一些很简单却有效的实验方法,比如给肠腔剪开一个小口。



文章来源
https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.08.041



参考文献:


1. Shyer, A.E., Tallinen, T., Nerurkar, N.L., Wei, Z., Gil, E.S., Kaplan, D.L., Tabin, C.J., and Mahadevan, L. (2013). Villification: how the gut gets its villi. Science 342, 212–218.

2. Shyer, A.E., Huycke, T.R., Lee, C., Mahadevan, L., and Tabin, C.J. (2015). Bending gradients is: how the intestinal stem cell gets its home. Cell 161, 569–580.

3. Gabella, G. (2002). Development of visceral smooth muscle. Results Probl. Cell Differ. 38, 1–37.



(责任编辑:tqh)

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