年龄依赖性的肺泡细胞对损伤的反应机理

　　肺泡是由无数细胞组成的复杂结构，以最大限度地扩大血液和吸入空气之间气体交换的表面积。肺泡上皮由两种高度特化的细胞类型组成，分别是肺泡1型（alveolar type, AT1）细胞和肺泡2型（AT2）细胞。其中，AT1细胞以大薄扁平为特点，覆盖大约90%的肺泡表面，并与肺丰富的毛细血管丛紧密排列，以实现有效的气体交换，而AT2细胞是较小的立方形态细胞，负责产生肺表面活性物质。AT2细胞也可作为兼性祖细胞，在成人肺损伤后增殖分化为AT1细胞。

　　在出生后的早期阶段，即肺泡形成期，也是肺泡易受损伤的时期。在某些情况下，新生儿和儿童患者对损伤表现出不同的临床反应，例如高氧损伤和冠状病毒（COVID-19）感染，在流感等传染病中，未成熟的肺似乎更容易受到损伤。肺泡形成过程中与成熟肺中的再生反应是否相同尚不清楚。此外，我们知道成熟肺泡的再生为AT2细胞向AT1细胞分化所驱动，AT1细胞的可塑性是否是对损伤的强烈反应，以及它是否在急性肺损伤后肺泡再生中起重要作用仍不得而知。

　　2021年5月10日，来自美国宾夕法尼亚大学的Edward E. Morrisey团队和David B. Frank团队在Cell Stem Cell杂志上发表了一篇题为 Age-dependent alveolar epithelial plasticity orchestrates lung homeostasis and regeneration 的文章，这项研究利用小鼠模型，发现在出生后早期肺泡形成过程中，急性肺损伤后AT2细胞不能有效再生AT1细胞，而相反，在新生儿损伤后，AT1细胞表现出强大的重新编程为AT2细胞的能力，这种可塑性能够保留在成熟肺中，AT1细胞可以发挥补充AT2细胞祖细胞池的作用。就机制而言，在未损伤的儿童和成人肺中，Hippo通路主要效应子YAP/TAZ的丢失会导致AT1自发重编程为AT2细胞。这种显著的可塑性水平揭示了在整个生命周期中，先前未被重视的年龄依赖性的肺泡细胞对损伤的反应。

　　首先，作者使用Hopx3XFLAG-GFP小鼠来标记和追踪暴露于高氧条件下的AT1细胞数量及AT1在总肺泡上皮中的百分比。作者观察到AT1比例减少，且一直持续到成年的AT1：AT2比例失衡现象并非是由于AT1细胞死亡增加引起。为了确定新生儿损伤后AT1和AT2细胞是否发生细胞命运变化，作者对这两种细胞类型进行追踪，结果显示AT2细胞缺乏在新生肺高氧损伤后有效再生丢失的AT1细胞的能力，有趣的是，AT1细胞在新生儿缺氧性肺损伤后具有较强的可塑性，可再生AT2细胞并持续至成年期，此外，在损伤期间，AT2细胞群几乎没有发生增殖，正是因为AT1细胞的可塑性使得新生儿肺损伤期间AT2细胞得到重新补充，也就是说，AT1-AT2的可塑性是新生儿肺中AT2再生的主要驱动因素。

　　上述现象是在新生小鼠肺中观察到的，那么AT1的可塑性是否会保留到成年小鼠中？为此，作者在成年小鼠中也进行了高氧肺损伤，并对AT1细胞和AT2细胞进行了谱系追踪，正如预期的那样，AT1细胞在成年肺损伤中也具有向AT2细胞分化的能力。

　　接下来，为了更好地理解决定AT1和AT2细胞可塑性的分子机制，作者利用RNA-seq评估两个谱系在小鼠发育过程中的基因表达变化，其中，Hippo信号通路在AT1细胞中独特富集。YAP/TAZ的核定位表明Hippo信号在何处失活以及TEAD-YAP/TAZ复合物在何处调节基因转录。免疫染色显示AT1细胞核中的YAP表达，而通过scATAC-seq和UMAP分析，作者发现AT1细胞中富集了TEAD DNA结合位点基序，提示YAP/TAZ活性可能是AT1细胞生物学的主要调节因子。

　　为了研究Hippo通路在调节AT1细胞行为中的潜在作用，作者构建了AT1Yap/Taz KO新生小鼠，谱系追踪结果显示缺乏YAP/TAZ的AT1细胞自发地重新编程进入AT2样状态（AT2rep细胞），且这些细胞能持续存在至小鼠成年。类似的，为了确定成人AT1细胞中YAP/TAZ的缺失是否也导致重新编程为AT2rep细胞，作者用三苯氧胺诱导成年AT1Yap/Taz KO并评估表现出AT2rep表型的细胞数量，其中，40%为AT2rep细胞，证实了即使在成年小鼠体内稳态期间，YAP/TAZ也需要维持AT1细胞的命运。反过来想，YAP/TAZ是AT1细胞特性的关键调节因子，那么YAP在成人AT2细胞中的异位核定位是否能够将其重编程为AT1细胞呢？为了验证这个猜想，作者生成了一种能够促进YAP组成性核进入和保留（YAPS112A）的小鼠模型，结果显示YAP核定位的确可以促进AT1细胞基因的表达，但并不足以将AT2细胞重编程为AT1细胞。

　　总的来说，这项研究表明AT2细胞分化为AT1细胞仅仅是成人肺损伤的一个特征，而AT1细胞在新生儿和成人损伤时表现出一种先前未被重视的可塑性。肺泡上皮细胞在时间上不同的再生机制可能是儿童和成人对急性肺损伤反应不同的原因之一。例如，在COVID-19中观察到的标志性表型之一是急性呼吸窘迫综合征，儿童和成人患者对COVID-19的反应存在显著差异，这项研究可能对这些差异反应提供了重要见解，也有助于制定更有针对性的临床干预措施。