9月3日，国际学术期刊Cell Stem Cell在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）周斌研究组的最新研究成果“Alveolar regeneration by airway secretory cell-derived p63+ progenitors”。该研究利用一系列靶向肺上皮细胞的体内谱系示踪新技术，结合单细胞转录组测序技术，揭示了气道分泌细胞来源的p63+祖细胞参与肺泡上皮修复的动态过程及其调控机制。这一发现为肺泡损伤后的修复再生治疗提供了新的潜在途径，并揭示了p63基因对于分泌细胞向肺泡细胞转变中的关键作用。
肺脏，作为呼吸系统的核心组成部分，承担着气体交换和维持免疫等重要功能，展现出强大的自我修复与再生能力，这一特性高度依赖于其内部多样的肺上皮干细胞群体。在肺泡损伤的修复过程中，肺泡II型上皮细胞（AT2细胞）是重要干细胞群体，能够在损伤后自我扩增并分化为肺泡I型上皮细胞（AT1细胞）。然而，除AT2细胞之外，气道上皮内的特定干细胞群体，如分泌细胞与支气管肺泡干细胞，亦能在特定损伤条件下展现出向肺泡上皮方向分化的潜力。因此，探索未知肺上皮干细胞群体及其在肺泡再生中的具体作用路径，仍然是该领域内亟待解决的重要科学问题。
为了解析肺上皮细胞参与修复的动态过程，研究人员利用博莱霉素诱导的肺泡上皮损伤模型，意外发现气道上皮基底干细胞的标志基因p63在损伤后的肺泡区域显著表达。为了追踪这群独特的p63+细胞的命运轨迹，研究人员构建了p63-CreER工具鼠模型，发现这群p63+细胞在损伤后出现，明确界定出这群细胞不同于气道基底干细胞以及远端气道中的p63+细胞。进一步研究发现，这群细胞具有较强的增殖能力与向AT1细胞和AT2细胞广泛分化的能力，提示这群细胞可能是一群新发现的祖细胞群，研究人员将这群细胞命名为p63+祖细胞。
随后，研究人员利用单细胞转录组测序技术，详细分析了损伤后不同时间点上的p63+祖细胞及其子代细胞的基因表达特征。数据显示，p63+祖细胞主要出现在损伤后两周左右，且发现了多个介于p63+祖细胞与成熟肺泡上皮细胞的中间态细胞群。进一步分析p63+祖细胞向肺泡上皮的分化过程，发现p63+祖细胞具有两条分化为AT1细胞和AT2细胞的轨迹。随后，克隆分析实验也显示p63+祖细胞可以在不经过AT2细胞阶段的情况下，直接分化为AT1细胞，提示p63+祖细胞具有双向分化的潜能。
为了追溯p63+祖细胞的起源，研究人员利用基于双同源重组酶的谱系示踪技术构建了可以在特定细胞类型中记录p63基因激活的p63-Tracer系统。结合多种谱系示踪工具，系统筛查了肺脏中所有气道上皮、气道分泌细胞与AT2细胞产生p63+祖细胞的能力。结果显示，气道分泌细胞是p63+祖细胞的主要来源，而其他肺上皮细胞（包括气道基底干细胞、纤毛细胞、支气管肺泡干细胞、AT2细胞）极少贡献产生p63+祖细胞，精确绘制了p63+祖细胞与其他肺上皮细胞之间的谱系图谱。
为了深入探究p63基因在肺泡上皮修复过程中的作用，研究人员构建了可以在分泌细胞中特异性敲除p63基因的谱系示踪和基因功能研究系统。结果显示，p63基因的缺失减弱了p63+祖细胞形成肺泡上皮细胞的能力，导致分泌细胞产生的肺泡上皮细胞数量显著降低。进一步探究发现，p63敲除后的分泌细胞中可以检测到大量的细胞凋亡信号，而细胞增殖情况没有显著变化，说明p63是p63+祖细胞抵抗损伤后凋亡信号的关键调控因子。当p63+祖细胞功能受阻时，肺脏组织内胶原蛋白标志物羟脯氨酸（Hydroxyproline）以及更多的胶原蛋白基因表达显著增加，肺脏纤维化加剧，提示p63+祖细胞在肺泡损伤后修复与再生过程中的重要性及其作为潜在治疗靶点的价值。
综上，该研究通过系统研究p63+祖细胞的起源、命运、功能和调控机制，不仅为理解肺损伤后的修复机制提供了新的见解，也为肺脏疾病的临床治疗研究提供了新的科学依据和突破口，为器官发育和再生医学研究提供了新技术和新方法。
分子细胞卓越中心周斌研究组研究助理吕赞和博士生刘子鑫为该论文共同第一作者。周斌研究员为该论文通讯作者。该研究得到了分子细胞卓越中心隋鹏飞研究员、上海科技大学席莹教授、宾夕法尼亚大学的Andrew Vaughan教授、Calico公司的Astrid Gillich教授、以及分子细胞卓越中心动物实验技术平台和细胞分析技术平台及中国科学院上海营养与健康研究所细胞分析技术平台的大力支持。该工作得到中国科学院、国家自然科学基金委、科技部、上海市科委、新基石科学基金会等支持。
文章链接：https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(24)00291-1
气道来源的p63+细胞贡献肺泡上皮细胞参与肺再生修复机制
