で発表された最近の研究では、 科学の進歩研究者らは、器官全体のアプローチを使用して、ショウジョウバエの中腸の栄養誘導性組織適応における細胞数、サイズ、およびアイデンティティ制御を定量的に分析しました。
勉強： 幹細胞のmTORシグナル伝達は、腸の栄養適応中に領域特異的な細胞運命の決定を指示する。 画像クレジット: Giovanni Cancemi/Shutterstock.com
背景
成人の腸は、食物の入手可能性に応じてサイズと組成を変化させ、腸幹細胞 (ISC) の増殖と分化を制御する局所的な臓器です。 栄養素の摂取は、体性幹細胞の活性化を通じて臓器の細胞組成を変化させることにより、成体動物の生理機能に影響を与えます。 栄養は小腸の体積と形状に大きな影響を与え、動物の生理学的要件に合わせてシグナル伝達、吸収、代謝機能を調整することができます。 ショウジョウバエの中腸には 4 つの固有の細胞型があり、それらはすべて ISC とは異なります。 中腸の大きさは食事によって大きく異なります。
研究について
本研究では、研究者らは、成人の腸における細胞運命の決定、特に腸幹細胞（ISC）の増殖と分化の調節に対する食物シグナル伝達の影響を調査した。
この研究では、実験食としてホリディック食を使用し、さまざまな栄養素を含む培地で25℃に保ったハエを使用しました。 彼らは腸組織を解剖し、固定、洗浄、ブロックし、抗体染色した。 彼らは、腸の解剖と蛍光抗体細胞選別（FACS）解離を実施し、それぞれ80〜100腸の3つの重複サンプルで増殖1（G1）細胞とG2細胞をリボ核酸（RNA）単離バッファーに選別しました。 彼らは RNA を抽出して増幅し、ライブラリーを作成して配列決定し、共焦点顕微鏡を使用して免疫染色された中腸の写真を撮影しました。
研究者らは、中腸線形解析 (LAM) を使用して、ハエの腸幹細胞 (ISC) の成長制御を評価しました。 彼らは、絶食させて給餌したハエの中腸の最大核断面積を評価し、ISC マーカー Delta-LacZ を使用して給餌誘発性のサイズ調節を調査しました。 彼らはまた、R1、R2、R4、およびR5領域のp4EBPレベルを測定することにより、細胞サイズ調節因子として認識されているmTORC1シグナル伝達経路の関与を調査した。 彼らは、Raptor RNAi ノックダウンによって mTORC1 活性を低下させ、ISC の核領域を評価しました。
研究者らは、トランスフォーミング成長因子 (TGF) 細胞における mTORC1 活性の機能と制御を調査しました。 彼らは、Delta-Gal4 を使用して蛍光ユビキチン化ベースの細胞周期指標 (FUCCI) レポーターを発現させ、これによりさまざまな成長段階での 4EBP リン酸化を研究することができました。 彼らはまた、異なる発生段階における遺伝子発現のプロファイリングを行い、細胞サイズが ISC の分化に関連しているのではないかと仮説を立てました。
研究チームはまた、絶食ラットと給餌ラットの局所的なDelta-LacZ強度を評価することにより、腸幹細胞mTORC1シグナル伝達活性とDelta発現との関連性を調査した。 彼らはまた、mTORC1 が EE 細胞の分化を積極的に阻害するかどうかも調査しました。 彼らは、自由に食事を与えられた高齢のハエの腸を、生涯断続的な絶食を受けたハエと比較した。
結果
ハエでは、細胞のサイズ、数、分化の領域特異的な調節が腸の栄養適応を特徴づけます。 哺乳類のラパマイシン複合体 1 (mTORC1) の標的は、腸幹細胞 (ISC) の増殖を刺激し、デルタ発現を増強し、細胞の運命を吸収性腸芽細胞系統に導きます。 老齢のハエでは、ISC mTORC1 シグナル伝達は調節されておらず、食物の影響を受けにくいため、生涯にわたる断続的な絶食によって減少する可能性があります。 栄養素によって誘導されるシグナルは、腸細胞 (EC) の発生と ISC の分化を領域ごとに異なって制御します。
この研究では、中腸の適応発達には地域差があり、絶食状態から摂食状態への変化によりISCの増殖とECの成長が増加し、成体の中腸サイズの動的な調整が可能になることが判明した。 中腸の成長制御に関する現在の理解は、特定の場所の局所的な定量化に基づいており、器官全体にわたる全体的な洞察はありません。 摂食は ISC 娘細胞、腸内分泌 (EE) 細胞、および神経芽細胞 (EB) に独特の変化を引き起こし、領域特異的な mTORC1 活性化が ISC の成長を決定します。 ISC の成長の地理的分布は、給餌中の EB の蓄積と一致します。
この発見により、ISC mTORC1の活性化は、EC運命への分化中に急速に増殖する非対称型ISC-EB細胞ペアに関連していることが明らかになった。 ISC は、Notch シグナル伝達によって制御される小さな二倍体 EE 細胞に発達することもあります。 大きな ISC は EB 分化と相関します。 ISC mTORC1 シグナル伝達はデルタ発現を増加させますが、これは領域特異的で食事に依存します。 強力な mTORC1 活性を持つ大型 ISC は、領域特異的な方法で EB 運命への分化を指示するデルタを大量に発現します。
高い mTORC1 シグナル伝達は EE 細胞の運命に影響を与えます。 Notch LOF クローンの Raptor ノックダウンにより Prospero- p4EBP+ クラスターが除去され、Prospero+ 細胞にとって均一になりました。 断続的な絶食は、老化による腸の栄養適応の低下を防ぐため、mTORC1シグナル伝達の生理学的栄養依存性制御は老齢のISCでは失われているが、断続的な絶食のハエでは保存されていることが示唆される。
結論
全体として、研究結果は、mTORC1 シグナル伝達が食事に応じた腸幹細胞 (ISC) の運命にとって重要であることを示しました。 それは、絶食状態から摂食状態への移行中の腸細胞の発達、細胞数、および細胞型の分布の地域的に異なるパターンを示します。 給餌された動物は、ISC または EC の mTORC1 栄養感知経路を領域ごとに活性化します。 強力な mTORC1 活性を持つ大腸幹細胞は、Notch リガンド デルタを大量に示し、吸収系統への分化を促進します。
参考雑誌:
- マッティラ、J.、ヴィイタネン、A.、ファブリス、G.、ストルティンスカ、T.、コルゼリウス、J.、ヒエタカンガス、V. (2024) 科学の進歩10(6)。 土肥: 10.1126/sciadv.adi2671。 https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi2671
1708007841
#研究者らは腸幹細胞の栄養適応と老化の間の新たな作用機序を発見
2024-02-15 14:26:00