Alveolar progenitor and stem cells in lung development, renewal and cancer (review)

Abstract:

Alveoli are gas-exchange sacs lined by squamous alveolar type (AT) 1 cells and cuboidal, surfactant-secreting AT2 cells.Classical studies suggested that AT1 arise from AT2 cells, but recent studies propose other sources. Here we use molecular markers, lineage tracing and clonal analysis to map alveolar progenitors throughout the mouse lifespan. We show that, during development, AT1 andAT2 cells arise directly froma bipotent progenitor, whereas after birth new AT1 cells derive from rare, self-renewing, long-lived, mature AT2 cells that produce slowly expanding clonal foci of alveolar renewal. This stem-cell function is broadly activated by AT1 injury, and AT2 self-renewal is selectively induced by EGFR (epidermal growth factor receptor) ligands in vitro and oncogenic Kras(G12D) in vivo, efficiently generating multifocal, clonal adenomas. Thus, there is a switch after birth, when AT2 cells function as stem cells that contribute to alveolar renewal, repair and cancer. We propose that local signals regulate AT2 stem-cell activity: a signal transduced by EGFR-KRAS controls self-renewal and is hijacked during oncogenesis, whereas another signal controls reprogramming to AT1 fate.

肺泡是由AT1和AT2細(xì)胞構(gòu)成的氣體交換的組織囊狀結(jié)構(gòu)假褪。AT1是呈鱗片狀上皮細(xì)胞涩金，AT2細(xì)胞是具有分泌表面活性物質(zhì)功能的柱狀上皮細(xì)胞控硼。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為 AT1細(xì)胞源于AT2細(xì)胞枷颊。但最新的研究提出了新的觀點(diǎn)戳杀。該研究采用了分子標(biāo)記，細(xì)胞譜系追蹤夭苗，克隆分析的方法來繪制小鼠一生中肺泡祖細(xì)胞的圖譜信卡。結(jié)果表明，在發(fā)育階段题造，AT1和AT2細(xì)胞均直接來源于雙向潛能的祖細(xì)胞傍菇。而在出生后，新生的AT1細(xì)胞來自于罕見的界赔、自我更新的丢习、長(zhǎng)壽的、成熟的AT2細(xì)胞淮悼，這些AT2細(xì)胞能夠產(chǎn)生緩慢擴(kuò)大的肺泡自我更新的灶點(diǎn)咐低。AT1損傷能夠廣泛激活這種AT2細(xì)胞的干細(xì)胞功能。此外袜腥，體外EGFR(表皮生長(zhǎng)因子受體)配體和體內(nèi)致癌因子Kras(G12D)選擇性誘導(dǎo)能夠自我更新的AT2細(xì)胞见擦，有效地產(chǎn)生多灶性的腺瘤。因此，AT2細(xì)胞作為參與肺泡更新鲤屡、修復(fù)和癌變的干細(xì)胞儡湾，其功能在出生后就會(huì)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。該研究提出执俩，局部信號(hào)能調(diào)控AT2干細(xì)胞活性:一個(gè)EGFR-KRAS轉(zhuǎn)導(dǎo)的信號(hào)控制AT2細(xì)胞的自我更新并在腫瘤發(fā)生過程中被劫持徐钠，而另一個(gè)信號(hào)控制AT1命運(yùn)的重新編程。

AT1和AT2細(xì)胞產(chǎn)生于雙向潛能祖細(xì)胞

成熟的AT1和AT2細(xì)胞在出生前1天左右出現(xiàn)役首，此時(shí)遠(yuǎn)端小管開始擴(kuò)張（囊狀化）尝丐。該研究選取了15個(gè)已知的AT1和AT2的分子標(biāo)記分析氣道中遠(yuǎn)端(祖細(xì)胞)和近端(at1和at2細(xì)胞)位置標(biāo)記在肺囊狀化過程中的轉(zhuǎn)變，來推斷肺泡上皮細(xì)胞分化過程中分子標(biāo)記動(dòng)態(tài)表達(dá)的變化過程衡奥。結(jié)果發(fā)現(xiàn)有表達(dá)了AT1和AT2標(biāo)記的雙向潛能的祖細(xì)胞在分化的早期(E)或晚期(L)關(guān)閉表達(dá)某種類型的的細(xì)胞類型標(biāo)記物爹袁，在細(xì)胞成熟的后期(L)開啟特定細(xì)胞類型特異性標(biāo)記物(A1L、A2L)矮固，從而產(chǎn)生AT1或AT2細(xì)胞失息。
此外還有三方面的證據(jù)支持雙向潛能祖細(xì)胞模型：
（1）細(xì)胞克隆分析表明局部肺泡譜系簇具有明顯的AT1和AT2細(xì)胞標(biāo)記。
（2）亞顯微結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)明顯的三類遠(yuǎn)端肺泡上皮細(xì)胞：有糖原液泡但無板層體的立方細(xì)胞(雙能祖細(xì)胞)档址，有液泡和板層體的立方細(xì)胞(早期at2細(xì)胞)盹兢，有液泡的部分扁平細(xì)胞(早期AT1細(xì)胞)。
（3）細(xì)胞譜系追蹤分析表明守伸，利用溶菌酶(Lyz2)位點(diǎn)的Cre重組酶敲入(LysM-Cre)新分化的AT2細(xì)胞绎秒，在后期只有AT2細(xì)胞被標(biāo)記上而AT1細(xì)胞沒有被標(biāo)記上。
在肺囊狀化的過程及其之后的幾周內(nèi)尼摹，幾乎沒有檢測(cè)到上皮細(xì)胞的增殖见芹。這表明在發(fā)育期雙向潛能祖細(xì)胞產(chǎn)生了絕大多數(shù)甚至全部的AT1和AT2細(xì)胞。

少量AT2細(xì)胞激活的肺泡自我更新灶點(diǎn)

經(jīng)典的放射自顯影研究表明蠢涝，肺泡上皮是一種通過彌漫性增殖(可能是AT2細(xì)胞)維持的緩慢更新的細(xì)胞群玄呛。該研究使用了兩個(gè)標(biāo)記進(jìn)行體內(nèi)細(xì)胞譜系追蹤以研究AT2細(xì)胞維持的作用，SftpC–Cre–ER（祖細(xì)胞和AT2中均表達(dá)）和LysM–Cre（僅在成熟的AT2中表達(dá)）和二。在標(biāo)記后2個(gè)月(SftpC–Cre–ER)或出生后2個(gè)月(LysM–Cre)徘铝，兩種細(xì)胞系在整個(gè)肺內(nèi)均有明顯標(biāo)記的AT2細(xì)胞，顯示散在的at1細(xì)胞標(biāo)記有AT2譜系標(biāo)記儿咱。AT2細(xì)胞對(duì)細(xì)支氣管譜系的細(xì)胞包括Clara庭砍、纖毛細(xì)胞和神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞的維持作用不顯著场晶。
為了研究AT2細(xì)胞更新AT1的頻率和空間定位混埠，使用LysM-Cre對(duì)上述肺進(jìn)行標(biāo)記，并對(duì)1诗轻、2钳宪、4、8和16個(gè)月大的肺進(jìn)行分析。AT1細(xì)胞在1個(gè)月時(shí)表達(dá)AT2譜系標(biāo)記不足1%吏颖，4個(gè)月時(shí)表達(dá)3.9%搔体，16個(gè)月時(shí)表達(dá)7.5%。AT1細(xì)胞的更新主要發(fā)生在毗鄰小動(dòng)脈的肺泡和肺周圍半醉。當(dāng)新的AT1細(xì)胞出現(xiàn)時(shí)疚俱，肺泡基本上被替換為一半或全部，這表明肺泡只包含一兩個(gè)AT1細(xì)胞缩多。隨著年齡的增長(zhǎng)呆奕，相鄰的肺泡單位也會(huì)更新，這可以通過使用AT2譜系標(biāo)記的AT1細(xì)胞群緩慢擴(kuò)大來證明衬吆。這些更新的AT1區(qū)域除了攜帶有AT2的標(biāo)記梁钾，與其他區(qū)域無差別。結(jié)果表明AT1被AT2細(xì)胞更新是間歇性的逊抡，并且在空間上呈斑片狀分布姆泻，隨著時(shí)間的推移，“更新灶”逐漸擴(kuò)大冒嫡，血管周圍和周圍區(qū)域作為相對(duì)的“熱點(diǎn)”拇勃。

更新灶來自單個(gè)分化的AT2細(xì)胞

每個(gè)更新灶可以來自單個(gè)AT2細(xì)胞，在這種情況下孝凌，這些細(xì)胞可能是單細(xì)胞克隆而來的或者來自多個(gè)AT2細(xì)胞潜秋。為了區(qū)分這些可能性，使用了一個(gè)依賴于CRE的多彩的報(bào)告基因（CFP）胎许，該基因隨機(jī)地在每個(gè)經(jīng)歷重組的細(xì)胞中表達(dá)四種熒光蛋白中的一種峻呛。通過分析膜CFP譜系標(biāo)記，發(fā)現(xiàn)更新灶的大小和漸進(jìn)性擴(kuò)大與使用單色報(bào)告器觀察到的相似辜窑，這表明更新灶起源于單一的AT2細(xì)胞钩述。由于lysmc - cre 的CFP重組效率較低(在16個(gè)月內(nèi)2%的AT2細(xì)胞表達(dá)膜靶向CFP譜系標(biāo)記)，我們能夠在更新灶內(nèi)識(shí)別標(biāo)記的AT2細(xì)胞穆碎。大多數(shù)更新灶內(nèi)含有一個(gè)或兩個(gè)AT2細(xì)胞和多個(gè)AT1細(xì)胞子代分布于六個(gè)相鄰的肺泡中牙勘。我們還觀察到只有AT2細(xì)胞組成的小克隆灶，表明它們能夠在不形成AT1細(xì)胞(自復(fù)制)的情況下進(jìn)行分裂所禀。初始的AT2細(xì)胞表達(dá)成熟AT2標(biāo)記物方面，包括LAMP-1，一種溶酶體相關(guān)蛋白色徘，表明它們能夠產(chǎn)生表面活性劑恭金。以上結(jié)果表明，每個(gè)更新灶都來自一個(gè)可以生成多個(gè)AT1或AT2的自更新AT2細(xì)胞褂策。

急性AT1細(xì)胞損傷激活A(yù)T2細(xì)胞

氧張力升高對(duì)AT1細(xì)胞有毒性横腿，但對(duì)AT2細(xì)胞沒有毒性颓屑。2個(gè)月大的老鼠攜帶AT2譜系標(biāo)記，暴露在氧含量達(dá)到88%環(huán)境中120小時(shí)耿焊，這使更新的AT1細(xì)胞數(shù)量增加了兩倍揪惦。這一發(fā)現(xiàn)表明，AT2細(xì)胞在高氧損傷后會(huì)被激活罗侯，這支持了一種觀點(diǎn)：即盡管正常情況下只有極少數(shù)AT2細(xì)胞執(zhí)行干細(xì)胞功能器腋，但也可以招募其他細(xì)胞來修復(fù)肺泡損傷。

致癌的Kras信號(hào)選擇性地激活A(yù)T2自我更新

腺癌是肺癌的主要形式钩杰，其發(fā)生與Kras或Egfr突變的激活有關(guān)蒂培。腺癌通常位于肺周圍區(qū)域，幾乎所有的腫瘤細(xì)胞都表達(dá)SftpC榜苫，這導(dǎo)致長(zhǎng)期以來人們猜測(cè)它們起源于AT2細(xì)胞或其祖細(xì)胞护戳。通過基因敲入手段用致癌的Kras (G12D)突變替換野生型小鼠的Kras位點(diǎn)，腫瘤結(jié)節(jié)在整個(gè)肺內(nèi)迅速生長(zhǎng)垂睬，誘導(dǎo)后1個(gè)月幾乎整個(gè)肺泡區(qū)域被置換媳荒，隨后不久即死亡。最大的腫瘤發(fā)生在血管周圍和肺周圍區(qū)域驹饺，這些區(qū)域與AT2細(xì)胞的更新灶基本一致钳枕。SftpC–Cre–ER激活成年小鼠的Kras(G12D)可產(chǎn)生類似的結(jié)果。但是赏壹，CCSP–Cre–ER和ROSA–Cre–ER的誘導(dǎo)則影響較小鱼炒。由腺瘤組成的轉(zhuǎn)化AT2細(xì)胞繼續(xù)表達(dá)AT2標(biāo)記物(Nkx2.1, SftpD)，沒有表達(dá)Clara標(biāo)記物(CCSP)或AT1標(biāo)記物(極少)蝌借。因此昔瞧，致癌的Kras(G12D)似乎可以選擇性地永久誘導(dǎo)AT2的自我更新，而不需要將細(xì)胞去編程為雙能祖細(xì)胞菩佑，也不需要重新編程為AT1或Clara細(xì)胞的命運(yùn)自晰。

EGFR的活性控制AT2在培養(yǎng)中的自我更新

雙向潛能祖細(xì)胞和AT2細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組分析表明它們都表達(dá)Egfr，和兩個(gè)EGFR成員Erbb2和Erbb3稍坯。純化后的AT2細(xì)胞具有強(qiáng)勁的增殖能力和AT1細(xì)胞的分化能力酬荞。此外純化的EGF配體促進(jìn)AT2的增殖，而封閉EGFR的抗體抑制AT2的增殖瞧哟。