陳雯,蔡亞欣,張金三,,李校堃,
(1.溫州大學(xué) 生命科學(xué)研究院,浙江 溫州 325035;2.溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院 精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)中心,浙江溫州 325015)
胰腺是哺乳動物重要的器官之一,由內(nèi)分泌腺和外分泌腺構(gòu)成,內(nèi)外分泌腺細(xì)胞的缺失或功能發(fā)生障礙會引起多種胰腺相關(guān)疾病,如青年發(fā)病的成年型糖尿?。╩aturity onset diabetes of the young,MODY)。同時(shí),在先天性疾病中,胰腺的發(fā)育畸形及不全也是小兒外科領(lǐng)域的重要疾病之一[1-2]。因此,胰腺發(fā)育的研究是生命科學(xué)的重要領(lǐng)域,其中轉(zhuǎn)錄因子Pdx1、Ptf1a、Ngn3、Sox4、Sox9、GATA6在胰腺發(fā)育期間至關(guān)重要,調(diào)控祖細(xì)胞增殖、分化,并對祖細(xì)胞命運(yùn)起決定性作用,其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和作用機(jī)制或?qū)樘悄虿》乐渭跋忍煨约膊〉姆揽靥峁┲匾睦碚撘罁?jù)。為此,本文針對胰腺不同發(fā)育階段及相關(guān)的幾個(gè)核心轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)及其作用的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。
小鼠胰腺發(fā)育過程包括早期細(xì)胞的分離、細(xì)胞譜系限定、組織擴(kuò)張和重塑。根據(jù)胰腺形態(tài)發(fā)生變化可以將其分為三個(gè)階段。即胚胎期E8.5-E12.5,此期間為胰腺發(fā)育第一過渡階段,胰腺開始出芽,背側(cè)和腹側(cè)胰芽逐漸融合,形成細(xì)胞譜系;E12.5-E16.5,為胰腺發(fā)育第二過渡階段,此時(shí)胰腺特異性基因快速增殖,形成祖細(xì)胞池[3]。隨后,細(xì)胞增殖能力逐漸降低,胰腺形態(tài)發(fā)生變化,導(dǎo)管和腺泡(即外分泌部分)開始形成,呈現(xiàn)出獨(dú)特的分支形態(tài);而內(nèi)分泌前體細(xì)胞則通過分層的方式從分支中脫離,聚集在主干中[3]。E16.5-出生后為第三個(gè)過渡階段,此階段胰腺的內(nèi)外分泌部得到重塑并趨于成熟。
在胚胎期E8.5-E12.5,小鼠胰腺開始第一次形態(tài)演變。E8.5胰腺誘導(dǎo)發(fā)生,內(nèi)胚層中預(yù)定的胰腺前區(qū),誘導(dǎo)胰腺標(biāo)志物表達(dá),進(jìn)一步抑制預(yù)定的胰腺內(nèi)胚層中Shh的表達(dá)。E9.5左右,前腸上皮開始增厚,單層上皮細(xì)胞向復(fù)層上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)化,并與周圍間充質(zhì)結(jié)合形成背側(cè)和腹側(cè)原基,隨后前腸兩側(cè)形成胰腺的腹芽和背芽,腹芽與十二指腸相連,而背芽則沿著胃的一側(cè)向脾臟方向生長[4]。胰芽由胰腺多能祖細(xì)胞(multipotent progenitor cells,MPCs)組成,并表達(dá)多種轉(zhuǎn)錄因子,包括羧肽酶A1(carboxypeptidase A,CPA1)、胰腺十二指腸同源盒1(Pdx1)、胰腺特異轉(zhuǎn)錄因子(Ptf1a)、Sox9、Nkx6.1以及Ngn3等[5],相互協(xié)調(diào)促進(jìn)MPCs增殖。這一階段,背芽和腹芽獨(dú)立生長,其上皮細(xì)胞具有多潛能特征,能夠分化為導(dǎo)管、腺泡和胰島細(xì)胞[6]。E9.0-E11.5,胰芽呈現(xiàn)樹狀上皮樣的微區(qū),由頂端極性細(xì)胞和軀干成形細(xì)胞組成,每個(gè)微區(qū)在E10.5左右會繼續(xù)演變形成微腔,背芽向前延伸。直到E12.5,腸道旋轉(zhuǎn),背芽和腹芽融合在一起,此時(shí)胰腺一端與胃、脾相連,另一端與十二指腸形成胰腺雛形[7]。
大約在E12.5,胰腺開始進(jìn)入“二次轉(zhuǎn)變”。這個(gè)階段,胰腺的發(fā)育遵循分支形態(tài)發(fā)生的協(xié)調(diào)過程,背腹芽的前體細(xì)胞能夠自我更新并增殖形成細(xì)胞索,這群細(xì)胞反復(fù)分支,密集排列的上皮細(xì)胞也開始重塑其導(dǎo)管結(jié)構(gòu)[8],形成導(dǎo)管和腺泡。此過程由導(dǎo)管末端或附近的前體細(xì)胞驅(qū)動,導(dǎo)管末端相連的細(xì)胞群驅(qū)動導(dǎo)管伸長和分支。此時(shí)MPCs群體將逐漸分為兩部分:分支頂端群體以及前內(nèi)分泌細(xì)胞和導(dǎo)管祖細(xì)胞的雙潛能祖細(xì)胞群。
導(dǎo)管末端前體細(xì)胞,包括多能干性祖細(xì)胞和腺泡及導(dǎo)管的祖細(xì)胞,它們協(xié)同促進(jìn)胰腺生長。在導(dǎo)管重塑的同時(shí),前體細(xì)胞逐漸移動到胰腺的“頂端-軀干成形”區(qū)域,形成一個(gè)中央包含多個(gè)憩室的管叢。分支形態(tài)發(fā)生階段,管叢中的微腔擴(kuò)展延伸為胰腺導(dǎo)管。隨后,“頂端-軀干”區(qū)域開始發(fā)生分離,頂端細(xì)胞被認(rèn)為是形成腺泡的前體細(xì)胞群,而軀干細(xì)胞分化為導(dǎo)管細(xì)胞和內(nèi)分泌細(xì)胞,誘導(dǎo)導(dǎo)管區(qū)域擴(kuò)張形成成熟的導(dǎo)管。此時(shí),胰島前體細(xì)胞開始分層。在“二次轉(zhuǎn)變”過程中,導(dǎo)管末端存在少量具有自我更新潛能的前體細(xì)胞,這些細(xì)胞驅(qū)動導(dǎo)管網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張。通過連續(xù)的導(dǎo)管分支,這些活躍的前體細(xì)胞在新形成和已經(jīng)擴(kuò)張的導(dǎo)管末端分離,誘導(dǎo)導(dǎo)管網(wǎng)絡(luò)的形成[8]。
根據(jù)導(dǎo)管和腺泡細(xì)胞的大小分布以及空間組織的相關(guān)性,在分叉過程中,腺泡前體細(xì)胞必須與自我更新的導(dǎo)管前體細(xì)胞共同定位,并經(jīng)歷相同的動力學(xué)過程,才能正常發(fā)育[6]。E12.5 后,腺泡室的大部分?jǐn)U張是由腺泡前體細(xì)胞的自我更新引起的。從E13.5開始,頂端細(xì)胞致力于腺泡的命運(yùn),并開始大規(guī)模的增殖,迅速增加腺泡在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)量。同時(shí)胰腺形態(tài)發(fā)生較大改變,比如快速生長的主干,經(jīng)歷獨(dú)特的分支演變后形成導(dǎo)管和腺泡(外分泌部分);內(nèi)分泌部分通過分層從分支中脫離,在軀干區(qū)域形成不成熟的胰島,這些不成熟的胰島接受神經(jīng)系統(tǒng)的管控,分散在外分泌組織和血管區(qū)域,以確保胰腺成熟后血液中內(nèi)分泌激素的有效分泌[5]。
在第二階段,MPCs分化為頂端(胰腺腺泡部分)祖細(xì)胞,繼而分化為干細(xì)胞群(即導(dǎo)管和內(nèi)分泌干細(xì)胞群)。祖細(xì)胞增殖能力逐漸喪失,胰腺特異性基因(Ptf1a、CPA1、GATA4和Nkx6.1等)表達(dá)增加。
E16.5后,小鼠腺泡尖端細(xì)胞分化,啟動成熟腺泡細(xì)胞的標(biāo)記物表達(dá),如羧肽酶A。在胰腺“軀干”中,導(dǎo)管祖細(xì)胞分化,形成胰管,連接腺泡和十二指腸。而內(nèi)分泌前體細(xì)胞則遷移到周圍的間充質(zhì)中,分化為α細(xì)胞、β細(xì)胞、δ細(xì)胞、PP細(xì)胞,同時(shí)分泌激素,最終形成胰島[9]。小鼠出生后,胰腺在各級信號及外界環(huán)境的相互調(diào)控下繼續(xù)完善。胰島β細(xì)胞經(jīng)過出生后2~3周的重塑具備完整的功能,導(dǎo)管和腺泡功能也日趨完善,最終形成具有完整功能的成熟胰腺。
胰腺的正常發(fā)育與轉(zhuǎn)錄因子Pdx1、Ptf1a、Sox4、Sox9、Ngn3以及GATA6 的精準(zhǔn)調(diào)控密切相關(guān)。第一階段,Pdx1、Ptf1a及Sox9調(diào)控祖細(xì)胞增殖,誘導(dǎo)胰芽生長。第二階段,Ngn3、Pdx1、Ptf1a、Sox4、Sox9調(diào)控MPCs的分化,其中內(nèi)分泌細(xì)胞均由Ngn3+的細(xì)胞發(fā)育而來。E13.5之后,Pdx1主要表達(dá)于小鼠胰島中。第三階段,Pdx1、GATA6、Ptf1a在胰腺功能成熟中發(fā)揮作用(見圖1)。在此,我們對這幾個(gè)轉(zhuǎn)錄因子在胰腺發(fā)育三個(gè)階段的主要作用作一闡述。
圖1 小鼠胰腺發(fā)育不同階段的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子示意圖
Pdx1,也稱為胰腺十二指腸同源盒1 或胰島素啟動子因子1,為包含同源結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子。Pdx1的表達(dá)最早出現(xiàn)在小鼠的E8.5的5~6個(gè)體節(jié)期間[10]。E9.5之前,Pdx1的表達(dá)僅限于前腸的胰腺區(qū)域。此后,Pdx1在十二指腸上皮、膽管和胃后部也有少量表達(dá)[11]。E13.5,小鼠胰腺上皮中可看見一些Pdx1表達(dá)水平較高的細(xì)胞。E14.5,Pdx1在這些細(xì)胞中表達(dá)量更多[11]。而在小鼠的新生期和成熟期,Pdx1僅特異性表達(dá)于90%的β細(xì)胞和10%左右的δ細(xì)胞中。在胰島素的調(diào)控過程中,Pdx1通過結(jié)合到胰島素基因的啟動子上,單獨(dú)或協(xié)同其他因子調(diào)節(jié)胰島素的合成[12]。
Pdx1促進(jìn)胰腺發(fā)育和胰島細(xì)胞分化,是胰腺早期胚胎發(fā)育和分化所必需的。當(dāng)從E11.5(正常的胰腺上皮和小管形成之后)開始到整個(gè)分娩過程中阻斷Pdx1的表達(dá)時(shí),小鼠胰腺的發(fā)育也會被阻滯,此時(shí)發(fā)育不全的胰腺僅由導(dǎo)管組成,而不是腺泡或胰島細(xì)胞[13]。在小鼠成熟的β細(xì)胞中,Pdx1的減少引起葡萄糖耐受不良,這提示Pdx1 在維持小鼠β細(xì)胞功能中具有關(guān)鍵作用[13]。Pdx1單基因缺陷引起人類的MODY,也支持了該推論。在非肥胖糖尿?。∟OD)小鼠和人類1型糖尿?。═1D)患者中,檢測到Pdx1自身抗體,表明Pdx1可能是T1D的自身抗原[14]。在人類2型糖尿?。═2D)中,胰島β細(xì)胞的Pdx1表達(dá)水平也受到損害[15]。這些數(shù)據(jù)表明Pdx1在人體和小鼠早期胚胎胰腺形成,內(nèi)分泌譜系的特異性分化以及β細(xì)胞成熟后的功能中具有關(guān)鍵作用。
Ptf1a,又稱為胰腺特異性轉(zhuǎn)錄因子,是一種螺旋-環(huán)-螺旋(bHLH)蛋白。E9.0-E9.5,Ptf1a與Pdx1在小鼠胰腺背側(cè)和腹側(cè)的上皮中共表達(dá)。E10.5,Ptf1a僅限于胰腺原基的上皮中,與十二指腸有清晰的邊界。E12.5,Ptf1a在胰腺分支上皮的生長端表達(dá),但最終只在腺泡細(xì)胞中表達(dá)[11]。
Ptf1a對小鼠MPCs的增殖、腺泡細(xì)胞的分化和維持具有重要作用[16]。小鼠細(xì)胞譜系追蹤實(shí)驗(yàn)表明,早期胰腺上皮中Ptf1a表達(dá)的細(xì)胞會形成腺泡、導(dǎo)管以及內(nèi)分泌等胰腺所有細(xì)胞類型[17]。因此,在胰腺發(fā)育早期階段,Ptf1a表達(dá)陽性的細(xì)胞其實(shí)是未分化的祖細(xì)胞。此外,在斑馬魚實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)胰腺內(nèi)外分泌腺的發(fā)育與Ptf1a之間存在劑量依賴性,低水平的Ptf1a表達(dá)會抑制外分泌腺發(fā)育,而高水平表達(dá)則會抑制內(nèi)分泌腺發(fā)育[18],由此推斷在小鼠胰腺發(fā)育過程中存在一個(gè)胰腺細(xì)胞內(nèi)調(diào)控Ptf1a表達(dá)的機(jī)制??傊?,Ptf1a對胰腺命運(yùn)以及維持腺泡細(xì)胞的分化狀態(tài)至關(guān)重要。
遺傳譜系追蹤實(shí)驗(yàn)表明,Pdx1 和Ptf1a是胰腺遺傳譜系中最主要的轉(zhuǎn)錄因子,較高水平的Pdx1是維持胰腺譜系的基本條件。Ptf1a通過與Pdx1 的增強(qiáng)子結(jié)合增加其表達(dá)水平[19]。Pdx1與成纖維生長因子10(FGF10)之間有廣泛的交叉調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。另外,Sox9與FGF信號通路相互作用,協(xié)同Pdx1調(diào)控多能干細(xì)胞的擴(kuò)增以及器官發(fā)生的同一性[20]。小鼠發(fā)育中FGF10/FGFR2b/Sox9形成反饋環(huán),調(diào)控胰腺發(fā)育,三者缺一不可。FGF10 缺失的多能干細(xì)胞中缺少FGFR2b和Sox9會導(dǎo)致肝臟發(fā)育畸形[21]。因此,通過了解胰腺轉(zhuǎn)錄因子可以為解決胰腺發(fā)育中出現(xiàn)的問題提供方向和思路。
Ngn3,屬螺旋-環(huán)-螺旋(helix-loop-helix)家族轉(zhuǎn)錄因子中的一員,參與神經(jīng)外胚層中神經(jīng)前體細(xì)胞的分化。E8.5~E11.0,小鼠胰芽內(nèi)瞬時(shí)表達(dá)Ngn3的細(xì)胞被認(rèn)定為內(nèi)分泌祖細(xì)胞。E8.5-E8.75 期間,Pdx1+細(xì)胞區(qū)域可以檢測到少數(shù)Ngn3+細(xì)胞;E9.0,小鼠胰腺背側(cè)上皮中Pdx1+細(xì)胞結(jié)構(gòu)域內(nèi)可檢測到較多的Ngn3+細(xì)胞,但在該結(jié)構(gòu)域外也有少量表達(dá)。E9.5,Ngn3在小鼠腹芽中開始表達(dá),E11.5開始主要在胰腺中央上皮集中表達(dá)[11]。從E12.0開始,Ngn3表達(dá)量持續(xù)增加,E15.5時(shí)在胰腺中的表達(dá)量達(dá)到峰值,E18.5 時(shí)又急劇下降。Ngn3 表達(dá)量的改變與小鼠內(nèi)分泌腺的形成過程密切相關(guān)[22]。同時(shí),E12.5-E18.5,小鼠內(nèi)分泌細(xì)胞開始出現(xiàn)[11],而后這些內(nèi)分泌細(xì)胞經(jīng)過分層、聚集形成胰島,同時(shí)胰腺的神經(jīng)叢也快速的擴(kuò)張和重塑。
Ngn3在小鼠胰腺祖細(xì)胞維持、細(xì)胞命運(yùn)分配和神經(jīng)叢形態(tài)發(fā)生的協(xié)調(diào)關(guān)系中發(fā)揮作用,調(diào)節(jié)導(dǎo)管網(wǎng)絡(luò)的生長和組裝,繼而形成分散的內(nèi)分泌系統(tǒng)。胰島主要由α細(xì)胞、β細(xì)胞、δ細(xì)胞和PP細(xì)胞組成。其中,β細(xì)胞分泌的胰島素和α細(xì)胞分泌的胰高血糖素共同調(diào)節(jié)機(jī)體內(nèi)葡萄糖穩(wěn)態(tài)[3],它們均由Ngn3+祖細(xì)胞分化而來。
Sox基因家族是由眾多具有HMG-box保守序列的基因構(gòu)成的超基因家族[23]。在小鼠胚胎胰腺和成年鼠的胰島中可以檢測到多個(gè)Sox轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)[24]。
胰腺第一次轉(zhuǎn)化期間,Sox4 在小鼠胰腺頂端和軀干祖細(xì)胞中表達(dá)[25]。第二次轉(zhuǎn)化過程中,Sox4在小鼠胰腺上皮細(xì)胞中的表達(dá)逐漸減少,但在表達(dá)Ngn3的內(nèi)分泌祖細(xì)胞和新形成的內(nèi)分泌細(xì)胞中仍保持較高水平[26]。而小鼠胰腺祖細(xì)胞的形成與Sox4的失活關(guān)聯(lián)不大[24-25]。同時(shí),Sox11和Sox12在小鼠胚胎期也有表達(dá)[25,27-28]。Sox12突變體沒有明顯的形態(tài)缺陷[29],但Sox11突變體卻表現(xiàn)出胰腺發(fā)育不全[30]。
小鼠胰芽出現(xiàn)之前,Sox9在假定的胰腺和近端十二指腸(位于前腸和中腸/后腸之間)中就能檢測到[19],并與Pdx1表達(dá)重疊[21,31]。同時(shí),F(xiàn)gf10/Fgfr2b/Sox9反饋通路參與調(diào)控胰腺祖細(xì)胞和鄰近間質(zhì)中維持胰腺祖細(xì)胞的分化[32]。Sox9調(diào)節(jié)小鼠胰腺祖細(xì)胞中Fgfr2b的表達(dá),F(xiàn)gfr2b從間充質(zhì)傳遞Fgf10 信號,F(xiàn)gf10 反向維持Sox9 和Fgfr2b在胰腺祖細(xì)胞中的表達(dá)。此后,Sox9僅在小鼠胰腺導(dǎo)管細(xì)胞和軀干頂端交界處的細(xì)胞中表達(dá)[32-33]。
胰腺導(dǎo)管腺癌(PDAC)是最常見的外分泌惡性腫瘤,由于其早期診斷困難、轉(zhuǎn)移和對常規(guī)放化療的內(nèi)在耐藥性,是病死率最高的疾病之一。KRAS的高頻突變是PDAC的一個(gè)主要標(biāo)志。大量研究表明,致癌的KRAS突變誘導(dǎo)腺泡至導(dǎo)管上皮化生(ADM)、胰腺上皮內(nèi)瘤形成(Pan IN),并最終導(dǎo)致PDAC。Sox9對于KRASG12D介導(dǎo)的ADM和Pan IN形成是必需的[34]。據(jù)報(bào)道,Sox9 可刺激ERBB途徑中幾個(gè)成員的表達(dá),也是ERBB信號活性促進(jìn)胰腺腫瘤發(fā)生所必需的[35]。這些研究通過促進(jìn)ADM進(jìn)一步鞏固了Sox9在胰腺癌中的核心作用,特別是在KRAS突變和胰腺炎的背景下加速了癌前病變和PDAC的發(fā)展。這些發(fā)現(xiàn)為針對特定癌癥驅(qū)動的信號分子(如ERBB2或FGFR2)的精確治療開辟了新的前景。
綜上所述,Sox因子可能是治療肝病和糖尿病的主要靶點(diǎn)之一,值得繼續(xù)挖掘。
GATA轉(zhuǎn)錄因子家族有6 個(gè)亞型,其中GATA1、GATA2及GATA3主要影響造血組織發(fā)育,GATA4和GATA5主要表達(dá)在小鼠心臟、性腺和內(nèi)胚層衍生組織中[36]。而GATA6在小鼠的心臟、肺、腸、性腺、腎上腺和胰腺組織中均會表達(dá)[27,37]。已知GATA6可調(diào)節(jié)小鼠內(nèi)皮源性器官的發(fā)育和內(nèi)胚層基因的表達(dá)[37-38]。其中GATA6雜合子突變是導(dǎo)致小鼠胰腺發(fā)育不全的主要因素。在成人胰腺組織中,GATA6主要表達(dá)于胰島和外分泌組織[39]。Amita Tiyaboonchai等[40]通過建立人離體PSC(pluripotent stem cells)模型系統(tǒng),研究GATA6 在胰腺發(fā)育中的作用及β細(xì)胞的功能。他們在胰腺誘導(dǎo)過程中發(fā)現(xiàn),GATA6突變株系會限制維甲酸(RA)信號傳導(dǎo),最后導(dǎo)致胰腺規(guī)格改變、β細(xì)胞顯著降低。大多數(shù)胰腺發(fā)育不全患者還表現(xiàn)出其他缺陷,包括先天性心臟缺陷、腸道異常和宮內(nèi)生長遲緩等[41]。這些數(shù)據(jù)表明,GATA6在人的內(nèi)胚層發(fā)育和胰腺β細(xì)胞功能中起關(guān)鍵作用[42]。
胰腺相關(guān)疾病,如胰腺炎、胰腺癌和糖尿病嚴(yán)重危害人類健康,其發(fā)生發(fā)展與胰腺早期發(fā)育密切相關(guān)。胰腺各個(gè)發(fā)育階段,轉(zhuǎn)錄因子的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)關(guān)乎胰腺以及鄰近器官的命運(yùn)。Pdx1是最先發(fā)現(xiàn)的胰腺特異性轉(zhuǎn)錄因子,目前關(guān)于糖尿病的治療方式中,胰島移植是有效手段之一,其中主要利用Pdx1對非胰腺β細(xì)胞進(jìn)行重塑,使這些非胰腺β細(xì)胞轉(zhuǎn)化為β細(xì)胞,對胰島功能恢復(fù)的治療展現(xiàn)很大的希望。已有研究表明胰腺發(fā)育中,生長因子與轉(zhuǎn)錄因子互作形成調(diào)控網(wǎng)絡(luò),比如Sox9 與FGF10、FGFR2b形成反饋環(huán)調(diào)控胰腺發(fā)育[43]。同時(shí),我們發(fā)現(xiàn)FGF10缺失的小鼠血糖異常,這可能是生長因子與轉(zhuǎn)錄因子異常調(diào)控的結(jié)果,也可能是與1型糖尿病、胰腺癌、炎癥相聯(lián)系的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。因此,了解Pdx1、Sox9、Ngn3、Ptf1a、GATA6與其他通路相互作用的機(jī)制,可以為胰腺癌、糖尿病及PDAC的治療提供新策略。