年齡依賴性的肺泡細胞對損傷的反應機理

　　肺泡是由無數細胞組成的復雜結構，以最大限度地擴大血液和吸入空氣之間氣體交換的表面積。肺泡上皮由兩種高度特化的細胞類型組成，分別是肺泡1型（alveolar type, AT1）細胞和肺泡2型（AT2）細胞。其中，AT1細胞以大薄扁平為特點，覆蓋大約90%的肺泡表面，并與肺豐富的毛細血管叢緊密排列，以實現有效的氣體交換，而AT2細胞是較小的立方形態細胞，負責產生肺表面活性物質。AT2細胞也可作為兼性祖細胞，在成人肺損傷后增殖分化為AT1細胞。

　　在出生后的早期階段，即肺泡形成期，也是肺泡易受損傷的時期。在某些情況下，新生兒和兒童患者對損傷表現出不同的臨床反應，例如高氧損傷和冠狀病毒（COVID-19）感染，在流感等傳染病中，未成熟的肺似乎更容易受到損傷。肺泡形成過程中與成熟肺中的再生反應是否相同尚不清楚。此外，我們知道成熟肺泡的再生為AT2細胞向AT1細胞分化所驅動，AT1細胞的可塑性是否是對損傷的強烈反應，以及它是否在急性肺損傷后肺泡再生中起重要作用仍不得而知。

　　2021年5月10日，來自美國賓夕法尼亞大學的Edward E. Morrisey團隊和David B. Frank團隊在Cell Stem Cell雜志上發表了一篇題為 Age-dependent alveolar epithelial plasticity orchestrates lung homeostasis and regeneration 的文章，這項研究利用小鼠模型，發現在出生后早期肺泡形成過程中，急性肺損傷后AT2細胞不能有效再生AT1細胞，而相反，在新生兒損傷后，AT1細胞表現出強大的重新編程為AT2細胞的能力，這種可塑性能夠保留在成熟肺中，AT1細胞可以發揮補充AT2細胞祖細胞池的作用。就機制而言，在未損傷的兒童和成人肺中，Hippo通路主要效應子YAP/TAZ的丟失會導致AT1自發重編程為AT2細胞。這種顯著的可塑性水平揭示了在整個生命周期中，先前未被重視的年齡依賴性的肺泡細胞對損傷的反應。

　　首先，作者使用Hopx3XFLAG-GFP小鼠來標記和追蹤暴露于高氧條件下的AT1細胞數量及AT1在總肺泡上皮中的百分比。作者觀察到AT1比例減少，且一直持續到成年的AT1：AT2比例失衡現象并非是由于AT1細胞死亡增加引起。為了確定新生兒損傷后AT1和AT2細胞是否發生細胞命運變化，作者對這兩種細胞類型進行追蹤，結果顯示AT2細胞缺乏在新生肺高氧損傷后有效再生丟失的AT1細胞的能力，有趣的是，AT1細胞在新生兒缺氧性肺損傷后具有較強的可塑性，可再生AT2細胞并持續至成年期，此外，在損傷期間，AT2細胞群幾乎沒有發生增殖，正是因為AT1細胞的可塑性使得新生兒肺損傷期間AT2細胞得到重新補充，也就是說，AT1-AT2的可塑性是新生兒肺中AT2再生的主要驅動因素。

　　上述現象是在新生小鼠肺中觀察到的，那么AT1的可塑性是否會保留到成年小鼠中？為此，作者在成年小鼠中也進行了高氧肺損傷，并對AT1細胞和AT2細胞進行了譜系追蹤，正如預期的那樣，AT1細胞在成年肺損傷中也具有向AT2細胞分化的能力。

　　接下來，為了更好地理解決定AT1和AT2細胞可塑性的分子機制，作者利用RNA-seq評估兩個譜系在小鼠發育過程中的基因表達變化，其中，Hippo信號通路在AT1細胞中獨特富集。YAP/TAZ的核定位表明Hippo信號在何處失活以及TEAD-YAP/TAZ復合物在何處調節基因轉錄。免疫染色顯示AT1細胞核中的YAP表達，而通過scATAC-seq和UMAP分析，作者發現AT1細胞中富集了TEAD DNA結合位點基序，提示YAP/TAZ活性可能是AT1細胞生物學的主要調節因子。

　　為了研究Hippo通路在調節AT1細胞行為中的潛在作用，作者構建了AT1Yap/Taz KO新生小鼠，譜系追蹤結果顯示缺乏YAP/TAZ的AT1細胞自發地重新編程進入AT2樣狀態（AT2rep細胞），且這些細胞能持續存在至小鼠成年。類似的，為了確定成人AT1細胞中YAP/TAZ的缺失是否也導致重新編程為AT2rep細胞，作者用三苯氧胺誘導成年AT1Yap/Taz KO并評估表現出AT2rep表型的細胞數量，其中，40%為AT2rep細胞，證實了即使在成年小鼠體內穩態期間，YAP/TAZ也需要維持AT1細胞的命運。反過來想，YAP/TAZ是AT1細胞特性的關鍵調節因子，那么YAP在成人AT2細胞中的異位核定位是否能夠將其重編程為AT1細胞呢？為了驗證這個猜想，作者生成了一種能夠促進YAP組成性核進入和保留（YAPS112A）的小鼠模型，結果顯示YAP核定位的確可以促進AT1細胞基因的表達，但并不足以將AT2細胞重編程為AT1細胞。

　　總的來說，這項研究表明AT2細胞分化為AT1細胞僅僅是成人肺損傷的一個特征，而AT1細胞在新生兒和成人損傷時表現出一種先前未被重視的可塑性。肺泡上皮細胞在時間上不同的再生機制可能是兒童和成人對急性肺損傷反應不同的原因之一。例如，在COVID-19中觀察到的標志性表型之一是急性呼吸窘迫綜合征，兒童和成人患者對COVID-19的反應存在顯著差異，這項研究可能對這些差異反應提供了重要見解，也有助于制定更有針對性的臨床干預措施。