大腦的生死擂台： Axin2 與 p53 共同主導的神經細胞生存競賽

優勝劣汰的細胞生存戰，早在胚胎發育階段便已悄然展開。這場細胞競爭決定了哪些細胞能夠存活並繼續發育，而哪些細胞則會被淘汰。此機制有助於維持組織的完整性、調控器官的大小，並預防腫瘤的生成 [1-2]。

細胞競爭最早在果蠅中被發現，對器官大小有直接影響。例如，Myc 能啟動細胞消除機制，從而維持果蠅翅膀的正常大小；而抑制在細胞競爭過程中被淘汰的「失敗者」細胞的消除，則可能導致翅膀異常增長 [2-3]。由於目前對哺乳動物細胞競爭的了解仍有限，中國科學院吳青峰研究員的團隊便在小鼠大腦發育過程中展開研究，他們首度證實在哺乳動物的神經前驅細胞之間也存在競爭，且此機制會調控大腦組織的大小。該研究發表於 Developmental Cell，並被選為該期封面文章。

過去研究顯示，Wnt 訊息路徑在果蠅和斑馬魚的細胞競爭中扮演重要的正向調控角色。Axin2 作為 Wnt 訊息路徑的下游分子，會與 APC、GSK3 和 CK1 形成複合體，負責降解 β-catenin。此外，幹細胞中 Wnt 訊息路徑的啟動將增加 Axin2 的轉錄 [4]。由於研究發現，缺乏 APC 的細胞在腸道癌症發展中，通常較相鄰的正常細胞具有生存優勢，因此，研究團隊推測，Axin2 缺失的細胞在細胞競爭中也有潛力成為「贏家」。

為了研究 Axin2 在神經前驅細胞競爭中的角色，研究團隊開發了一種以雙色基因鑲嵌系統為基礎的驅動基因刪除策略，稱為「driver-driving mosaic analysis with double markers-based genetic deletion (DMAD)」。DMAD 系統會誘發 Axin2 和 Axin2-CreERT2 在染色單體間進行交換，隨後在 M 期染色單體分離，最後產生綠色螢光（GFP⁺）標記的 Axin2 突變細胞以及紅色螢光（tdT⁺）標記的 Axin2 野生型細胞；另一種可能則是會產生紅色螢光標記的 Axin2 突變細胞與綠色螢光標記Axin2 野生型細胞（圖一A） 。細胞數分析指出 Axin2 突變的細胞數顯著低於野生型細胞（圖一B），且 Axin2 突變細胞中會表現細胞凋亡蛋白cleaved caspase 3 （CC3）（圖一C）、β-catenin，甚至可觀察到野生型細胞將正在死亡的 Axin2 突變細胞進行吞噬的現象（圖一D）。這些結果指出，Axin2 缺失的細胞易於走向凋亡，無法像正常細胞那樣存活或增殖，導致它們在競爭中處於劣勢地位，與團隊初始的假設大相逕庭（圖一E-F）。

延伸閱讀｜上帝擲骰子嗎？─神經前驅細胞在大腦皮質中的發育

由於先前研究指出 Axin2 缺失的細胞具有較高的 p53 活性，且競爭能力較弱，本篇研究進一步確認，抑制 Axin2 時，p53 蛋白表現量會上升；反之， Axin2 過量表現則會降低 p53 蛋白表現量（圖二A-B）。由於前述實驗產生的 Axin2 基因缺失主要發生在間腦 [註1]，團隊想了解 Axin2 介導的細胞競爭是否也發生在大腦其他區域，並探討 p53 訊息路徑在 Axin2 介導的細胞競爭中的角色，他們首先誘導小鼠大腦皮質表現突變的 Axin2，並藉由雙色鑲嵌系統標記 Axin2 突變（綠色）與正常（紅色）的細胞（圖二C）。結果顯示，Axin2 在大腦皮質層中部的表現量較高，在背側和外側區域較低（圖二E）。野生型細胞相較於 Axin2 突變細胞在大腦皮質層中部具有更強的競爭優勢，但這種優勢在背側和外側區不明顯（圖二D 上半部，圖二F）。然而，當注射 p53 抑制劑（圖二D, G）或刪除大腦皮質中 p53 的編碼基因 Trp53 時（圖二I），會挽救 Axin2 突變細胞處於競爭劣勢的狀態。此外，給予 p53 抑制劑還能提高螢光標記細胞的總數（圖二H），表示 p53 的抑制會消除內源性細胞競爭，並提高「失敗者」細胞的存活率。這些實驗證實，p53 驅動了 Axin2 突變細胞的凋亡淘汰過程。接著，作者在短期和長期追蹤中，證實缺乏 p53 的細胞相較野生型細胞更具有競爭優勢，且 p53 缺失將促使鄰近的野生型細胞走向凋亡。這些結果表示，p53 的鑲嵌表現會引發神經前驅細胞之間的競爭，而缺乏 p53 的神經前驅細胞將成為細胞競爭的「贏家」。

最後，作者探討細胞競爭對大腦腫瘤生成與器官大小的影響。雖然 Axin2 和 Trp53 被廣泛認為是腫瘤抑制基因，但同時剔除二者卻並未引發大腦腫瘤形成。有趣的是，同時缺乏此二基因的小鼠，其大腦顯著增大，而單獨缺失其中一個基因則不會導致大腦尺寸改變（圖三A-C）。整合前述結果，Axin2 調控 p53 訊號，但由於缺乏 p53 的大腦中並未觀察到大腦的增大，這意味著 Axin2 可能不僅僅位於 p53 的上游，而是同時透過抑制 p53 路徑以及另一條獨立的訊息路徑，共同調控細胞競爭以及大腦組織大小 （圖三D）。

綜合而言，Axin2 調控的神經前驅細胞競爭藉由 p53 訊息路徑來淘汰弱勢細胞，而 Axin2 負向調控 p53 的表現。當 p53 缺失時，會導致周圍的野生型細胞發生凋亡，並賦予 p53 缺失細胞競爭優勢，此機制控制了大腦發育成適當大小。然而，當 Axin2 和 p53 的表現同時受抑制時，細胞競爭機制被消除，將導致大腦尺寸增大，這顯示細胞競爭機制在器官大小的調控中有著重要貢獻。此研究為組織大小的調控機制開啟了新方向，並闡述了細胞競爭機制可能與神經發育障礙有著密切關聯。

Main Article: Sun, X. L., Chen, Z. H., Guo, X., Wang, J., Ge, M., Wong, S. Z. H., Wang, T., Li, S., Yao, M., Johnston, L. A., & Wu, Q. F. (2023). Stem cell competition driven by the Axin2-p53 axis controls brain size during murine development. Developmental cell, 58(9), 744–759.e11. https://doi.org/10.1016/j.devcel.2023.03.016

註1：間腦（Diencephalon）位於端腦與胚胎期中腦之間。組成核區包含視丘、底視丘、上視丘和下視丘。

參考文獻：

1. van Neerven, S.M., Vermeulen, L. Cell competition in development, homeostasis and cancer. Nat Rev Mol Cell Biol 24, 221–236 (2023). https://doi.org/10.1038/s41580-022-00538-y
2. Lecuit, T., & Le Goff, L. (2007). Orchestrating size and shape during morphogenesis. Nature, 450(7167), 189–192. https://doi.org/10.1038/nature06304
3. de la Cova, C., Abril, M., Bellosta, P., Gallant, P., & Johnston, L. A. (2004). Drosophila myc regulates organ size by inducing cell competition. Cell, 117(1), 107–116. https://doi.org/10.1016/s0092-8674(04)00214-4
4. Bowman, A. N., van Amerongen, R., Palmer, T. D., & Nusse, R. (2013). Lineage tracing with Axin2 reveals distinct developmental and adult populations of Wnt/β-catenin-responsive neural stem cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 110(18), 7324–7329. https://doi.org/10.1073/pnas.1305411110

 

撰稿｜劉姿婷
審稿｜蕭皓文