醫學院胡小玉課題組發文揭示腸道上皮細胞轉錄延伸因子複合物NELF維持上皮屏障功效的新機制-清華大學醫學院

研究结果

醫學院胡小玉課題組發文揭示腸道上皮細胞轉錄延伸因子複合物NELF維持上皮屏障功效的新機制

2021-10-28


2021年10月25日,清华大学医学院、清华大学免疫学研究所胡小玉课题组在《Mucosal Immunology》(黏膜免疫)杂志在线发表了题为“Epithelial NELF guards intestinal barrier function to ameliorate colitis by maintaining junctional integrity”(上皮细胞转录延伸因子复合物通过维持肠道上皮细胞屏障功效完整性来改善结肠炎)的研究论文,揭示了转录延伸负调控因子NELF复合物(negative elongation factor complex)通过调控细胞连接基因表达和抑制上皮细胞坏死来維持腸道上皮細胞屏障功效完整性,從而減緩結腸炎發病進程。

上皮组织是哺乳动物隔离外界情况的第一道防线,而由肠道上皮细胞组成的肠道黏膜屏障可以资助机体把肠腔情况中的病原体或共生微生物隔离开来。除了发生黏液层,这些肠上皮细胞组成一个连续的物理屏障,由紧密连接(tight junctions)、粘着连接(adherens junctions)以及桥粒(desmosomes)形成的上皮连接复合物组成。紧密连接的失调往往与肠道通透性增加和肠道炎症相关,例如在炎症性肠病(inflammatory bowel diseases, IBDs)患者中人们视察到上皮细胞连接完整性泛起异常,体现细胞连接的异常可能加入了与IBDs的发病机制。因此,细胞连接相关的基因表达需要被严格调控,以确保肠道上皮屏障的完整性。然而,控制肠道上皮细胞连接的转录调控机制至今未明。

以往对于肠道上皮细胞屏障功效的转录调控机制研究多集中在转录起始阶段的序列特异性转录因子功效和表观遗传学修饰等,但是对于转录起始后(如转录延伸)调控是否加入肠道上皮细胞屏障功效的维持尚不清楚。转录起始后调控尤其是转录延伸负调控因子NELF复合物加入的转录暂停历程,在多种生命历程中都起到重要作用。其中胡小玉课题组于2020年发文论述了NELF在巨噬细胞活化历程中的动态变化及其调控巨噬细胞排泄细胞因子的关键作用(Nat Commun, 2020)。这一研究结果体现了NELF复合物可能在肠道上皮细胞稳态维持中也发挥了重要作用,于是,课题组研究人员通过构建Nelfb基因的肠道上皮细胞特异性缺陷小鼠,研究了NELF复合物介导的转录起始后调控机制在肠道上皮细胞中的功效。

研究初期,課題組研究人員發現在穩態情況下,腸上皮NELF缺陷小鼠的腸上皮組織結構、細胞分化等未發生異常,但是在DSS構建的小鼠腸炎模型實驗中,NELF缺陷小鼠相較于對照組小鼠表現出顯著的體重下降和死亡率上升、以及嚴重的組織損傷和免疫細胞浸潤等現象。隨後,研究人員嘗試探索NELF在緩解腸炎過程中發揮怎樣的作用,利用組織免疫熒光染色和透射電子顯微鏡等技術,發現DSS誘導腸炎早期(第二天)時,NELF缺陷小鼠的腸道上皮細胞便出現大量類似細胞壞死性(necroptosis)死亡。然而在抗生素處理之後,死亡細胞數量明顯減少,体现NELF缺陷引起的上皮細胞死亡可能依賴于菌群刺激。進一步的細胞水平和分子水平上的探究發現,NELF缺陷小鼠在穩態條件下便出現部门上皮細胞死亡,並且是MLKL依賴的細胞壞死,而DSS作用加劇了上皮細胞的壞死。研究人員通過ChIP-seq平分子生物學手段發現,腸上皮NELF缺陷會導致大量上皮細胞特異性基因表達紊亂。值得注意的是,實驗結果顯示腸道上皮NELF可以通過直接靶向啓動子區域調控多種細胞連接相關基因(如Cldn3、Cgn、Cldn23、Jup等)的表達,並且在敲除NELF之後,細胞連接基因在mRNA和卵白水平上顯著下調(圖1)。最後結合動物體內實驗和原位雜交(FISH)等技術驗證了在誘導性結腸炎早期階段,腸上皮NELF缺陷導致上皮通透性增加、共生菌入侵加劇,且腸炎發展依賴于共生菌入侵。



图1 .  肠上皮NELF通过直接靶向启动子区域调控多种细胞连接相关基因的表达


綜合上述實驗論證讲明,在DSS誘導腸炎初期腸上皮NELF缺陷首先導致細胞連接相關基因顯著下調,促使上皮細胞屏障功效下降,加劇共生菌入侵以及共生菌依賴的上皮細胞壞死,而細胞壞死又進一步加劇了屏障破壞,最終引起嚴重的炎症反應。該研究首次揭示了轉錄起始後階段轉錄延伸調控因子NELF複合物特異性調節腸道上皮屏障功效相關基因的表達,在維持腸道屏障穩態的過程中發揮了至關重要的作用。


清华大学医学院、清华大学免疫学研究所胡小玉教授和医学院助理研究员郭雪坤博士为本文的配合通讯作者,已结业的欧加尧博士和已出站的博后管晓星博士为该论文配合第一作者。此外,来自清华大学医学院的徐沪济教授、及其博士研究生王天娇和胡小玉课题组的博士研究生王美人、张彬对本研究做出了重要孝敬。该研究获得了乔治·华盛顿大学李荣(Rong Li,音译)教授的重要支持。该研究获得了国家自然科学基金委、科技部、清华大学-北京大学生命科学联合中心以及清华大学免疫学研究所资助。

文章鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41385-021-00465-9




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