撰文 | Qi
器官由不同功能區組成，有專門的幹細胞來再生受損組織，但由於上皮細胞、內皮細胞、基質細胞等都將具有不同的更新率和疾病敏感性，相應的幹細胞也必須在信號的調控下（比如Wnt信號）以不同節奏進行補充。肺泡由負責氣體交換的肺泡1型（AT1）細胞和能自我更新又能分化為AT1的AT2幹細胞組成，然而，Wnt信號在刺激AT2細胞修復肺泡上皮的同時還可能會促進成纖維細胞的激活和增殖，從而發生特發性肺纖維化，在腎臟、肝臟的纖維化疾病中也是如此【1, 2】。因此，需要設計一種能同時促進上皮細胞再生並抑制基質細胞纖維化的特異性Wnt調節劑。
哺乳動物有19個Wnt配體（Wnts），能將10個Frizzled（Fzd）受體中的1個與2個Lrp共受體中的1個低聚以誘導轉錄反應【1】，因而有可能通過受體-配體對的不同表達來實現信號特異性，但是想解碼哪些Wnts和Fzds在特定細胞中具有功能上的相關性需要大量的排列組合工作，比如在單細胞水平上精確繪製Wnt信號傳導圖譜，並結合藥理學工具操縱選定組分加以驗證。
為了解決Wnt信號如何在不同幹細胞群中被選擇性激活的問題，2023年6月14日，來自Genentech公司的Vishva M. Dixit團隊在Cell雜誌上發表了一篇題為Targeted alveolar regeneration with Frizzled-specific agonists的文章，他們以單細胞解析度繪製了人類和小鼠FZD基因表達譜，揭示上皮細胞、內皮細胞和基質細胞分別表達不同的Wnt受體，其中，Fzd5是AT2幹細胞活性所唯一需要的受體，使用Fzd5激動劑（Fzd5ag）激活上皮幹細胞活性修復肺損傷的同時能避免纖維化，強調了其治療潛力。
與最近發表的人和小鼠肺Fzd受體表達譜分析一致【3】，該團隊對涉及7種疾病狀態的104名患者的肺組織進行scRNA-seq分析，確認上皮細胞、內皮細胞和基質細胞分別表達Fzd5/6、Fzd4和Fzd1，且與疾病狀態無關。將AT2細胞與PDGFRA+成纖維細胞混合分別添加Wnt通路抑制劑LGK974、Fzd泛抑制劑（pan-Fzd-i）、Fzd5/8-i和Fzd1/2/7-i進行培養，pan-Fzd-i和LGK974組的肺泡球更少更小，Fzd5/8-i和pan-Fzd-i效果相同，相比之下，Fzd1/2/7-i沒有明顯影響。如果分別敲除AT2細胞中的不同Fzd受體，只有Fzd5的缺失抑制了AT2幹細胞活性，提示Fzd5是AT2幹細胞活性所必需的。在類器官系統中，Fzd5ag或Fzd6ag均能刺激人或小鼠AT2細胞形成類器官，而Fzd1ag和Fzd2ag則沒有此效果。
為了了解Wnt信號如何調節AT2幹細胞活性，以及Fzd激動劑是否能誘導一致的轉錄反應，作者對AT2細胞進行RNA-seq分析。相較於不使用CHIR（激活Wnt信號），數百個基因在CHIR、Fzd5ag和Fzd6ag的作用下差異表達超過2倍，包括Axin2、Lgr5、Tcf7和Birc5在內的Wnt靶基因，以及增殖標誌物Ki67等，在所有三種處理後都被上調，AT2功能所需基因如Sox9、Etv5、Sftpd和Sftpa1也發生上調，同時，與AT1命運相關的標誌物和轉錄因子，包括Ager、Hopx、Cav1和Rtkn2受到抑制。這些資料表明Wnt信號通過調節控制肺上皮細胞分化的轉錄因子的表達來維持AT2細胞的特異性。
圖1. Fzd5ag和Fzd6ag刺激博來黴素肺損傷模型生理上肺泡再生。
基於上述發現，該團隊想確定Fzd5ag和Fzd6ag的這種特異性能否在能模擬體內情況的肺泡球實驗中提供優勢。CHIR不僅作用於AT2細胞，還作用於成纖維細胞以誘導促纖維化因子，使類器官增加1-2倍，而Fzd5ag和Fzd6ag只針對AT2細胞，使類器官增加約3倍。為了測試它們在體內的效力，作者通過氣管內給藥博來黴素以誘導肺損傷，並利用微型計算機斷層掃描（micro-CT）進行評估。結果表明Fzd5ag和Fzd6ag能在這種肺損傷模型中提供保護且不加劇纖維化，並提高了50%的生存率。有趣的是，在博來黴素肺損傷模型中，Fzd6ag治療與氣道表面活性蛋白C+細胞的顯著擴增有關，而在對照組及Fzd5ag治療組中卻很少觀察到，考慮到這些細胞的分佈及Fzd6在氣道中的高表達，作者認為Fzd6ag可能作用於氣道衍生的肺泡祖細胞，在肺嚴重損傷後遷移到肺泡以促進再生，隨後通過氣道祖細胞的體外培養對此觀點加以證明。
總之，這項工作證明肺部上皮細胞和基質細胞表達不同的Wnt受體，而Fzd5是AT2幹細胞活性所唯一需要的受體，這將有助於Wnt信號對肺泡的促進再生和纖維化作用的脫鉤，對特發性肺纖維化患者而言存在治療益處。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.05.022
製版人：十一
參考文獻
1. Yu, H., Ye, X., Guo, N., and Nathans, J. (2012). Frizzled 2 and frizzled 7 function redundantly in convergent extension and closure of the ventricular septum and palate: evidence for a network of interacting genes.Development139, 4383–4394. https://doi.org/10.1242/dev.083352.
2. Cheng, J.H., She, H., Han, Y.P., Wang, J., Xiong, S., Asahina, K., and Tsukamoto, H. (2008). Wnt antagonism inhibits hepatic stellate cell activation and liver fibrosis.Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol.294.G39–G49. https://doi.org/10.1152/ajpgi.00263.2007.
3. Travaglini, K.J., Nabhan, A.N., Penland, L., Sinha, R., Gillich, A., Sit, R.V., Chang, S., Conley, S.D., Mori, Y., Seita, J., et al. (2020). A molecular cell atlas of the human lung from single-cell RNA sequencing.Nature587, 619–625. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2922-4.