小鼠小肠干细胞微环境建立过程中干细胞与微环境细胞的相互关系

Small intestine is the primary organ for nutrient absorption. As the main site for digestion and absorption, the intestinal epithelium undergones complete regeneration every 3-5 days and is one of the most active self-renewal tissues in mammals. Its constant self-renewal throughout the life is supported by the Lgr5-positive small intestinal stem cells, residing in the bottom of crypts. Small intestinal stem cells are interspersed between terminally differentiated Paneth cells in the crypt of gut. Paneth cells express EGF,TGF-α,Wnt3 and the Notch ligand Dll4 with a close physical association of Lgr5 stem cells constitute the niche for Lgr5 stem cells in intestinal crypts. Additionally, the peripheral mesenchymal cells surrounded the crypts in gut also provide the essential intestinal stem cell niche signals. Although the organization of stem cell niche has been analyzed in many ways, the origin and establishment process of the intestinal stem cells and their various microenvironmental cells during embryonic development are still unclear. This study intends to understand the formation process of intestinal stem cells and their microenvironmental structures, and to explore the interrelationships between stem cells and microenvironmental cells in the process of intestinal stem cell formation and their mechanisms, in order to gain a deeper understanding of the intrinsic regulation mechanisms of the functional units consist of stem cells and the microenvironment.

小肠是吸收营养的主要器官。作为消化吸收的主要场所，小肠上皮每3-5天更新一次，是哺乳动物体内新旧更替最为活跃的组织之一。肠上皮的更新依赖于隐窝底部的小肠干细胞。潘氏细胞与小肠干细胞交错分布，共同构成隐窝的底部。潘氏细胞表达EGF、TGF-a、Wnt3 以及Notch的配体Dll4等物质，参与构成小肠干细胞的微环境。而隐窝周围的间充质细胞也参与到干细胞微环境的形成，为干细胞提供微环境因子。虽然干细胞微环境的结构得到多方面的解析，但小肠干细胞及其多种微环境细胞在胚胎发育中的起源和建立的过程尚不清楚。本研究拟了解小肠干细胞及其微环境结构的形成过程，并探讨小肠干细胞形成过程中，干细胞和微环境细胞的相互关系及其机制，以期更深入了解干细胞与微环境作为一个功能单元的内在调节机制。

小肠肠腔内的单层上皮细胞层由大量的隐窝-绒毛结构组成。上皮细胞的不断更新是由位于隐窝底部的Lgr5+肠干细胞(ISCs)的增殖和分化所维持的，其中位于隐窝底部的潘氏细胞，位于上皮层下方的间充质细胞，特别是位于隐窝周围的间充质细胞，包括Foxl1+ telocyte等，共同构成了ISC自我更新的生态位环境。在发育过程中，消化道由原肠管衍生而来。原肠管在E9.5d原肠胚形成后不久形成，而中肠区则会演化成为未来的小肠。该时期的肠管由一层假复层状未确定命运的祖细胞组成，且其增殖不依赖于WNT信号通路。在E14.5d，上皮细胞和间充质细胞之间的信号相互作用导致规律性分布的间充质细胞簇的形成，而这些细胞簇被认为在绒毛出现时向上皮细胞层发送未知信号。随之，以Wnt靶基因Axin2和Lgr5表达为特征的ISCs出现在绒毛间区。Foxl1+telocyte是一种毗邻发育中的肠道上皮的间充质细胞。在成年肠中，被称为telocyte细胞。此类细胞伸出长的突起并相互交联形成网状结构，包裹整个上皮。而在发育过程中，telocyte与ISC建立的关系以及其起源和分化尚不清楚。ISCs产生吸收肠细胞和分泌细胞，包括潘氏细胞、肠内分泌细胞、杯状细胞和簇状细胞等。成年的小肠上皮中，潘氏细胞表达包括Wnt3在内的多种微环境信号来调节ISC的自我更新，但潘氏细胞何时出现，也是未知的。广泛认为潘氏细胞产生于出生后。那么胚胎时期ISC建立时是否存在潘氏细胞，也不清楚。因此，为了更好地了解哺乳动物小肠的发育过程，探索小肠的微环境在胚胎时期建立过程，了解小肠干细胞和其微环境细胞潘氏细胞和telocyte出现的先后和从属关系，我们对从E11.5 d到E19.5d的6个主要发育时间点的小肠进行了单细胞转录组测序分析。通过我们的研究，揭示了在发育过程中的小肠ISC身份的确立发生在E15.5d时期，小鼠小肠干细胞的微环境细胞潘氏细胞在E14.5d即ISC建立前已出现，而telocyte的分化(E14.5d)与也早于ISC的建立，Lmo3+ telocyte在是成体telocyte细胞的前体细胞。我们的单细胞数据为进一步理解ISC微环境及其调控机制、细胞命运控制以及肠道功能和疾病提供了重要的基础。