BMP信号通路在胃上皮细胞分化中的关键作用

胃是参与食物消化、激素分泌和防御食源性微生物病原体的重要器官。在胃腺体中，干细胞能够分化为多种胃上皮细胞类型，包括分泌黏液的细胞、分泌酸的壁细胞、分泌胃蛋白酶原的主细胞和肠内分泌细胞。胃上皮细胞的自我更新和分化对维持胃稳态至关重要，受上皮细胞和间质细胞间信号网络调控。Wnt信号通路维持胃祖细胞的干性和增殖能力，EGF配体促进表面黏液细胞分化，BMP4信号通路调控壁细胞的定位和分化，但信号通路如何控制胃上皮细胞分化的机制仍不清楚。

2025年5月16日，发表在Cell Regeneration上题为The critical role of BMP signaling in gastric epithelial cell differentiation revealed by organoids的研究通过结合单细胞RNA测序和信号通路操控，成功建立了类器官培养系统，实现了小鼠和人胃上皮细胞的有效分化。

研究发现BMP4信号通路刺激表面黏液细胞和壁细胞分化，且BMP4与EGF信号通路协同增强表面黏液细胞分化，而抑制TGF-β和BMP4信号通路则促进主细胞分化。此外，研究还揭示了Zbtb7b是调控表面黏液细胞分化的新因子，BMP4与Isoxazole 9小分子共同促进壁细胞和肠内分泌细胞分化，并发现了鼠和人胃上皮细胞分化在要求上的差异。

图示描述

1，胃类器官的建立与细胞分化研究。研究者首先建立了小鼠胃类器官培养系统，在完全培养基(CM)中培养含有EGF、BMP抑制剂(Noggin)、R-spondin1、CHIR-99021、TGF-β抑制剂(SB431542)、胃泌素、FGF10和ROCK抑制剂(Y-27632)。在这一系统中，观察到颈部细胞(GSII+)和增殖细胞(Mki67+)富集，表面黏液细胞(UEAI+)和主细胞(Gif+)数量有限，而壁细胞(HK-ATPase-β+)则不存在。为了更好地了解胃上皮细胞组成，研究者对小鼠胃体部和胃窦部进行单细胞RNA测序，发现窦部富集表面黏液细胞，而体部则以主细胞和壁细胞为主。

2，BMP4信号通路促进壁细胞和肠内分泌细胞分化。研究发现BMP4信号在壁细胞分化中起关键作用。使用Atp4bCre;Rosa26tdTomato小鼠模型，观察到pSmad1/5/8信号在tdTomato+壁细胞和Muc5ac+表面黏液细胞中存在。在Bmpr1a或Smad4条件性敲除(cKO)小鼠中，HK-ATPase-β标记的壁细胞显著减少。BMP4与异恶唑酮9(Isx-9)联合处理显著促进小鼠胃类器官中壁细胞分化，增加HK-ATPase-β+壁细胞数量，诱导酸化细胞囊泡和线粒体数量增加。此外，Isx-9还激活肠内分泌细胞标记物表达，扩增Chga+和Gast+肠内分泌细胞。这表明BMP4和Isx-9能增强小鼠胃类器官中壁细胞和肠内分泌细胞的分化。

3，主细胞分化需要Wnt信号通路激活及TGF-β和BMP信号抑制。主细胞位于胃腺体底部，具有超过半年的更新周期，可作为胃上皮中的前体或储备干细胞。研究发现，主细胞的维持受Wnt信号通路调控，R-spondin1和Wnt3a在胃腺体底部区域富集。移除R-spondin1和CHIR-99021以及用IWP2抑制Wnt信号通路显著降低小鼠胃类器官中主细胞标记物Pgc的表达。一致地，Apc条件性敲除导致胃腺体底部Mist1+主细胞显著增加。此外，通过Bmpr1a或Smad4条件性敲除破坏BMP信号传导增加了Mist1+主细胞、GSII+颈部细胞和Mki67+增殖细胞。TGF-β信号通路阻断(Tgfbr2 cKO)也增加了主细胞标记物的表达。这些结果表明，主细胞分化需要激活Wnt信号通路并抑制TGF-β和BMP信号通路。

4，表面黏液细胞分化受BMP4和EGF信号增强。研究发现，BMP4和EGF信号通路对表面黏液细胞分化至关重要。BMP4信号通路在表面黏液细胞和壁细胞中高表达，这一点通过免疫染色证实pSmad1/5/8与小鼠胃腺体上部的Muc5ac共定位。在Bmpr1a或Smad4条件性敲除小鼠中，表面黏液细胞标记物Muc5ac、Gkn1和Gkn2表达降低，UEAI标记的表面黏液细胞显著减少。BMP4显著增加小鼠胃类器官中表面黏液细胞标记物的表达，EGF增强了BMP4对表面黏液细胞分化的作用。在表面黏液细胞分化培养基(DM-Pit)中培养的类器官中，UEAI+表面黏液细胞比例显著增加(约90%)，同时降低了其他细胞谱系标记物的表达。这些数据表明，EGF和BMP4信号通路的同时激活对功能性表面黏液细胞的分化至关重要。

5，Zbtb7b是表面黏液细胞分化的关键调控因子。通过单细胞RNA测序和功能验证实验，研究者确定了锌指转录因子Zbtb7b作为BMP信号通路靶基因，在表面黏液细胞分化中起关键作用。在Bmpr1a条件性敲除小鼠胃中，Zbtb7b表达降低，BMP诱导的Zbtb7b表达在Bmpr1a敲除胃类器官中受到抑制。在胃类器官中敲除Zbtb7b显著降低了表面黏液细胞标记物Muc5ac和Gkn1的表达，同时增加了颈部细胞标记物Muc6和干细胞标记物Aqp5和Lgr5的表达。相反，在胃类器官中过表达Zbtb7b增加了Muc5ac和Gkn1的表达以及UEAI+或Muc5ac+表面黏液细胞的数量。这些数据表明，锌指转录因子Zbtb7b介导BMP信号通路诱导表面黏液细胞分化。

6，人源胃上皮细胞分化研究揭示物种差异。研究还探索了人源胃上皮细胞的分化机制，发现BMP4和EGF信号通路在人源和小鼠胃上皮细胞分化中既有保守也有差异的方面。两个物种的胃上皮细胞都在表面黏液细胞和壁细胞中富集BMP信号通路基因表达，但两个物种共享的BMP靶基因较少。在共享的36个基因中，表面黏液细胞标记物如MUC5AC、GKN1、GKN2和TFF1显著富集，反映两个物种表面黏液细胞分化的相似性。此外，在人源胃类器官中，壁细胞和主细胞的分化需要更多信号通路的参与。雌激素相关受体伽马(ESRRG)激活、EGF信号抑制以及Isx-9、二甲双胍、DY131和PD0325901的联合处理可促进人源壁细胞分化，而在人源主细胞分化中，XBP1激动剂IXA4的添加显著上调了MIST1表达。这些发现表明，人源壁细胞和主细胞分化需要更复杂的调控网络。

全文总结

本研究发现BMP、EGF、Wnt和TGF-β信号通路在胃上皮细胞谱系特化中起关键作用。激活BMP和EGF信号通路，同时抑制Wnt信号通路可促进表面黏液细胞分化，Zbtb7b作为新发现的调控因子，通过介导BMP信号通路控制该过程。BMP信号通路激活并结合小分子Isx-9可促进祖细胞向壁细胞和肠内分泌细胞分化。而抑制BMP和TGF-β信号通路，同时激活Wnt信号通路则促进主细胞分化。研究建立了类器官培养系统，实现了各种胃上皮细胞类型的有效分化，揭示了人源和小鼠之间的相似性和差异性，为胃类器官的研究和潜在临床应用奠定了基础。