《Nature Communications》：Villification of the intestinal epithelium is driven by Foxl1 through activation of PDGFRα and BMPs
编辑推荐：
本研究揭示了间质转录因子Foxl1如何介导上皮-间质相互作用，精确调控哺乳动物肠道绒毛形态发生的关键机制。研究人员发现，Foxl1通过激活PDGFRα和BMP信号通路，以及平面细胞极性因子Fat4，驱动相邻上皮的端细胞前体分化，从而协调绒毛形成、上皮细胞区域划分及分泌祖细胞分化。这项研究阐明了肠道发育中的一个核心细胞间信号传导事件，对于理解肠道形态发生及相关疾病具有重要意义。
哺乳动物的肠道并非生来就是我们熟悉的样子，内壁布满无数细小的指状突起——绒毛。在胚胎发育早期，原始的肠道只是一个由内胚层来源的上皮和外胚层来源的间充质包裹而成的简单管状结构。上皮细胞最初是假复层排列，并非执行吸收功能的成熟细胞。随着妊娠中期（中孕期）的到来，一场戏剧性的形态重塑发生了：肠道上皮不仅结构重组，变成最终的立方状单层形态，而且发生复杂的折叠，形成了吸收表面积巨大的绒毛和位于绒毛之间的“绒毛间区”。这个过程被称为“绒毛化”，它对于肠道出生后高效吸收营养至关重要。然而，这个看似自然的“折叠”过程究竟是如何被精准调控的？背后的分子指挥家是谁？是什么信号在协调上皮细胞与周围间质细胞进行这场复杂的“共舞”？解答这些问题，对于理解先天性肠道畸形（如短肠综合征、微绒毛包涵体病等形态异常相关疾病）的根源至关重要。
为了揭开绒毛化之谜，一支研究团队深入探索了胚胎肠道发育的细胞与分子世界。他们最终将目光聚焦于一个在肠道间质中特异性表达的叉头框（Forkhead box）家族转录因子——Foxl1。他们的研究成果发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上，题为“Villification of the intestinal epithelium is driven by Foxl1 through activation of PDGFRα and BMPs”。
研究人员在论文中运用了一系列关键技术方法来解析Foxl1的功能。核心方法包括利用Foxl1基因敲除小鼠模型，在体内直接观察绒毛化缺陷的表型。通过组织学染色、免疫荧光染色和原位杂交技术，在空间上精确定位了Foxl1的表达模式及其缺失后对上皮细胞增殖、分化标志物和关键信号通路分子分布的影响。他们还采用了转录组学分析（RNA-seq），比较野生型和敲除型小鼠肠道间质细胞的基因表达谱，系统性找出受Foxl1调控的下游靶基因和信号通路。此外，研究可能涉及体外共培养体系或类器官培养，以验证特定信号分子（如BMP蛋白）的功能。需要说明的是，本研究主要依赖于小鼠胚胎模型，所有样本均来源于基因工程小鼠。
Foxl1 is expressed in the intestinal mesenchyme and regulates villus formation
（Foxl1在肠道间充质中表达并调控绒毛形成）
研究人员首先确认，Foxl1在胚胎肠道发育的绒毛化起始阶段，特异性地表达于紧邻上皮的间充质细胞中，尤其是作为信号中心的一类特殊间质细胞前体——端细胞前体内。当敲除Foxl1后，小鼠胚胎肠道的绒毛形成显著延迟。绒毛出现得晚，且初始形态异常，证明了Foxl1对于启动正常的绒毛形态发生程序是必需的。
Foxl1 orchestrates compartmentalization of the epithelium
（Foxl1协调上皮细胞的分区）
正常的绒毛化过程伴随着上皮细胞的功能分区：绒毛顶部的上皮细胞退出细胞周期，成为有丝分裂后细胞，主要执行吸收功能；而绒毛之间的“绒毛间区”则保留了活跃增殖的干细胞/祖细胞，负责持续产生新的上皮细胞。在Foxl1缺失的肠道中，这种清晰的空间分区被打乱了。原本应局限于绒毛间区的增殖细胞（表达Ki67或磷酸化组蛋白H3标记）错误地出现在了正在形成的绒毛顶端，而上皮细胞极性和分化标志物的表达模式也出现紊乱。这表明Foxl1介导的间质信号对于指导上皮细胞“在正确的地点做正确的事”——即分区化为增殖区和非增殖区——起着关键的指令作用。
Foxl1-dependent mesenchymal signaling regulates secretory progenitor differentiation
（依赖Foxl1的间质信号调控分泌祖细胞分化）
肠道上皮除了吸收细胞外，还有多种分泌细胞，如杯状细胞、潘氏细胞等。研究发现，在Foxl1缺失的胚胎肠道中，分泌细胞谱系祖细胞的分化被暂时性地阻断。例如，杯状细胞的前体标志物和成熟标志物的表达显著减少或延迟。这表明Foxl1信号不仅调控形态发生，也协调着上皮细胞谱系分化的时间进程。
Foxl1 activates PDGFRα and BMP signaling pathways
（Foxl1激活PDGFRα和BMP信号通路）
那么，Foxl1是如何发挥这些调控作用的呢？转录组分析揭示了答案。Foxl1的缺失导致间质细胞中多个关键信号通路基因的表达下调。其中，血小板衍生生长因子受体α（PDGFRα）和骨形态发生蛋白（BMP）信号通路的相关基因表达显著降低。PDGFRα对于间质细胞的存活、增殖和迁移至关重要，而BMP信号是已知的绒毛化关键驱动因子。进一步的实验证实，在Foxl1缺失的间质中，PDGFRα蛋白和活化的BMP信号（通过检测磷酸化SMAD1/5/9）水平确实下降。更重要的是，研究人员发现Foxl1能够直接结合到Pdgfra基因的调控区域，直接激活其转录。对于BMP通路，Foxl1可能通过调控多个BMP配体（如Bmp2）和信号调节分子的表达来间接增强通路活性。
Foxl1 regulates epithelial polarity through Fat4
（Foxl1通过Fat4调控上皮极性）
除了上述通路，研究还发现了一个与细胞极性相关的关键靶点——平面细胞极性（Planar Cell Polarity, PCP）通路的核心成分Fat4。Fat4在Foxl1表达的间质细胞前体中高表达，并在Foxl1缺失时表达下降。已知上皮细胞的PCP对于绒毛的定向出芽和形态至关重要。因此，Foxl1很可能通过调控间质中的Fat4，进而影响邻近上皮细胞的极性，共同推动绒毛的规则形成。
Epithelial hedgehog signaling induces Foxl1 expression
（上皮hedgehog信号诱导Foxl1表达）
最后，研究追溯了Foxl1这个“执行指挥”的上游指令来源。他们发现，上皮细胞分泌的hedgehog（Hh）信号配体是Foxl1在间质中表达的关键诱导者。这形成了一个清晰的正反馈信号环路：上皮Hh信号 -> 间质表达Foxl1 -> Foxl1激活PDGFRα、BMP和Fat4 -> 这些间质信号作用于上皮，驱动其绒毛化、分区和分化。
结论与讨论
本研究系统性地阐明了Foxl1在肠道绒毛形态发生中的核心枢纽作用。它作为上皮来源的Hedgehog信号的关键下游效应因子，在间质中整合并放大信号，通过直接激活PDGFRα和精细调控BMP信号通路活性，同时影响平面细胞极性因子Fat4的表达，构建了一个复杂的信号网络。这个网络共同作用于上皮-间质界面，精确地在时间和空间上协调三个相互关联的核心事件：驱动上皮折叠形成绒毛（形态发生）、划定上皮增殖区与分化区的边界（分区）、并启动分泌细胞谱系的命运决定（分化）。
这项研究的意义重大。首先，它在分子和细胞水平上完整揭示了一个经典的胚胎学过程——肠道绒毛化——的核心调控机制，将形态发生的现象与具体的基因、信号通路和细胞行为联系起来。其次，它强调了间质细胞（特别是端细胞前体）作为信号处理和转发中心的关键角色，而不仅仅是结构支撑。Foxl1在此扮演了“信号转换器”和“放大器”的角色，将相对宽泛的上皮Hh信号转化为精确、多层面的间质指令集。最后，这项发现为理解人类先天性肠道发育畸形提供了潜在的分子病因学线索。Foxl1或其下游通路（如BMP、PCP）的异常，都可能导致绒毛发生缺陷，从而引发吸收功能障碍。因此，该研究不仅增进了我们对发育生物学的基本认识，也为未来的转化医学研究奠定了重要的理论基础。
