腸道類器官是複雜的三維結構，單一腸道幹細胞組成立體結構過程中，第一次對稱破壞事件相當重要，其中對稱球體中只有一小部分相同的細胞分化為潘氏細胞（Paneth cell），潘氏細胞會產生新的幹細胞並造成不對稱結構。本篇研究指出暴露於均勻的促生長環境中，單細胞如何產生新興的自組織能力，從而導致形成複雜的多細胞不對稱結構。
腸道類器官（Intestinal organoid）是為了再現腸道幹細胞分化發育過程、模擬腸道環境所發展的三維組織模型。發育過程中的關鍵事件是由相同細胞組成的球狀對稱細胞團分化出第一批潘氏細胞，由此產生幹細胞利基（niche）及隨後的腸隱窩（crypts）、絨毛（villi）等組織。位於瑞士巴塞爾（Basel, Switzerland）的研究團隊從小鼠身上取得 LGR5+ 及 LGR5– 細胞培養成腸道類器官，利用層光顯微術（light sheet microscopy）實時觀察類器官的發育過程、結合免疫染色結果及基因組分析證明對稱細胞團中分布略有不均的轉錄調控因子 YAP1 觸發 Notch-DLL1 訊息傳導路徑、促成了第一次對稱性破壞、產生第一個潘氏細胞。
（左圖）由小鼠篩選取得 LGR5- 及 LGR5+ 細胞，培養形成腸道類器官、拍攝活細胞影像及免疫染色。（右圖）類器官免疫染色影像，藍色為細胞核（DAPI）、綠色為腸道幹細胞（LGR4::DTR-eGFP）及紅色為潘氏細胞所分泌的溶菌酶（lysozyme）。圖片來源: doi:10.1038/s41586-019-1146-y
研究發現：雖然由 LGR5+ 及 LGR5– 細胞形成類器官的效率各為 18% 及 7.5% 但其細胞團生成第一個潘氏細胞、芽狀組織、腸隱窩等發育時程極相似。最後可歸納為兩種發育結果：一為全由腸上皮細胞（enterocyte）組成、移除培養基中的 Wnt 五天後會死亡的腸囊腫（enterocyst），一為能生成潘氏細胞且即使移除外源性 Wnt 仍能持續增生的芽狀類器官（budding organoid）。
芽狀類器官及腸囊腫。圖片來源: doi:10.1038/s41586-019-1146-y
檢視幾個轉錄因子（FOSL1、TEAD1、TEAD4）在發育早期的表現量增加，相關的共激發因子 YAP1 mRNA 雖維持不變、幾個 YAP1 標靶表現量卻有瞬時增加，顯示了轉錄後調控的可能性。抑制 YAP1 與剔除 YAP1 皆會影響類器官的形成效率。 而 YAP1 的過度表現也會影響潘氏細胞的產生、使細胞團維持未分化的對稱狀態。由發育過程中不同時間點的單細胞 RNA 定序發現：四細胞期後開始出現變化的細胞核內的 YAP1（nuclear YAP1）表現量也跟 Notch 蛋白的配體 DLL1 的表現量有正相關。 利用 γ -分泌酶抑制劑（Gamma-secretase inhibitors）阻斷 Notch 傳導路徑發現，抑制 Notch 會減少對稱性破壞及潘氏細胞分化、造成腸囊腫型態比例增加。綜合以上發現，不均勻分布的核內 YAP1 活化 Notch-DLL1 及稍後的潘氏細胞分化。
類器官發育模型示意圖及對稱性破壞。圖片來源: doi: 10.1038/s41586-019-1146-y
參考文獻：
- Serra D, et al. Self-organization and symmetry breaking in intestinal organoid development. Nature. 2019;569(7754):66–72. doi: 10.1038/s41586-019-1146-y
撰文｜林宛瑢
審稿｜洪維謙
