Nature | 郭峥团队揭示肠道干细胞通过对自身分裂计数转变多能分化方向|体细胞|克隆|免疫性疾病|多能干细胞|多能性|果蝇|郭峥

在器官和组织中，多能干细胞分裂产生不同命运的子代细胞维持组织的稳态。其中一个重要的现象是：不同命运的子代细胞按照一定的比例配合在一起，执行组织的生理功能。然而，多能干细胞每次分裂只能产生一个子代细胞，人们一直不清楚干细胞如何在连续分裂过程中协调子代细胞的分化方向，以确保不同命运子代细胞间维持比例的稳定。当前领域内的主流解释倾向于随机概率模型：干细胞每次分裂以固定概率随机选择子代细胞命运，比例的稳定性由统计规律保证。然而，随机模型存在两个重要局限：一是固定比例只有当干细胞分裂次数足够多时才稳定，有限数目的分裂可能产生比例的偏差；其次是概率模型会导致子代细胞在空间分布上的不均匀，这显然也与观察不符。那么，多能干细胞如何调控分化方向，使得不同类型的子代细胞在数量上成比例地产生，并在空间上规律地分布？

2026年 7 月29日，华中科技大学基础医学院郭峥团队在Nature发表了题为Intestinal stem cell counts self-renewal divisions to switch multipotency的研究论文。研究从现象、模型，到机制进行了全面剖析，扎进这个朴素的科学问题：多能干细胞如何转变分化方向，产生分化比例恒定的组织？果蝇肠道干细胞只有双重分化潜能、谱系清晰。凭借这种简单可操作的系统，课题组经历十余年的谱系追踪、遗传筛选、和突变体替换，排除了“固定概率”的解释，证明肠道干细胞是在完成8次产生肠道上皮细胞的分裂后像拨开关一样精准切换命运方向，转为产生肠道内分泌细胞。该研究同时在分子层面上提出TrxG与PcG两组拮抗蛋白通过组蛋白修饰动态消长在干细胞中构成“分裂计数器”： DNA 复制时组蛋白旧标记稀释、新标记积累，达到阈值即触发命运切换，而新产生的内分泌细胞通过瞬时激活干细胞中的 Notch 信号，设定计数起点的组蛋白修饰。这项研究也表明，简单模式生物体系的价值在于把复杂问题压缩到最少的变量，让机制从猜想变成可检验、可证伪的科学假说。

果蝇肠道干细胞（ISC）是目前已知最为简单的具有多能分化能力的干细胞类型。它具有产生肠道内分泌细胞（ EEC ）或吸收营养的肠道上皮细胞（ EC ）的双重潜能。多年来，领域中多个实验室报道肠道内分泌细胞占肠道上皮细胞总数的比例约为10%，但一直没有这个比例形成的机制解释。郭峥教授在2015年发表于Science的研究中发现：ISC并不是随机产生内分泌细胞和上皮细胞的。在果蝇蛹期肠道发育过程中， ISC的第一次不对称分裂一定会产生一个肠内分泌母细胞（EMC），该EMC通过对称分裂产生一对肠道内分泌细胞，EEC（图例1）；同时他们发现 EMC通过表达配体Delta（Dl）激活相邻ISC中的Notch信号通路，从而抑制ISC继续产生EMC，使其转向产生肠道上皮细胞，EC（图例1，绿色背景）。然而，在果蝇出蛹后，ISC不能一直产生上皮细胞，如果是这样，一段时间后当蛹期制造的内分泌细胞死亡，肠道上皮中将只有EC。因此，一定存在一个机制，使得 ISC重新激活产生内分泌细胞EEC，使得肠道内分泌细胞的比例维持在10%（图例1，橙色背景）。

图例1 ：肠道干细胞多能性分化的示意图。绿色背景区域表示蛹期干细胞的发育过程，橙色背景区域为成虫肠道中肠道干细胞的不断分裂过程。红色表示肠内分泌细胞标记物Prospero（Pros）的表达。 ISC：肠道干细胞， EMC：肠道内分泌母细胞， EEP：肠道内分泌前体细胞，EEC：肠道内分泌细胞，EB：肠道上皮前体细胞， EC：肠道上皮细胞。

为了追踪果蝇成虫中肠内 ISC何时开始产生EEC，研究团队对所有刚出蛹的ISC进行了谱系示踪。结果显示在正常饲养条件下，ISC最初只产生EC；直到出蛹后第5天，新生EEC才首次出现在中肠后端区域，此后逐步增加并向整个中肠扩散。到第20天，蛹期产生的EEC全部死亡，中肠中所有EEC均为出蛹后新生，且数量趋于稳定。对谱系细胞数目和内分泌细胞数目的量化分析表明：新生 EEC 在谱系中的占比与ISC分裂频率呈正相关， EECs在谱系中的比例从0%开始增长，随着谱系细胞的增多，最终稳定在约10% 。

既然EEC 在谱系中的占比与分裂次数相关，那么ISC究竟是在每次分裂中以固定概率产生EEC，还是在完成固定次数产生 EC 的分裂后才切换至产生EEC？为了区分这两种机制，研究团队利用MARCM技术对成年果蝇中肠中处于不同分裂阶段的ISC进行随机标记，并统计不同克隆大小中含有EECs的克隆比例。如果ISC在完成固定次数（ k 次）产生EC的分裂后才切换至EEC产生（固定分裂数模型，图例2 a,b），则比例应随克隆生长呈线性上升，并在克隆大小达到k+1时达到100%。如果ISC每分裂一次产生EEC的概率固定为P（固定概率模型图例2 c,d），则含有EECs的克隆比例应随克隆大小呈指数饱和曲线上升。分析结果显示，随机标记克隆中EEC ⁺ 克隆比例随克隆大小线性上升，当克隆大小为10时达到100%。完美契合k=9的固定分裂数模型(图例2e,f）。

为了进一步验证这一模型，研究团队采用“起点标记”（start-point labeling）策略（图例2g,h）：在蛹期72小时（此时ISC已完成第一轮EMC产生）诱导MARCM克隆，使得所有ISC从同一个“起点”开始计数。结果显示，在含有细胞数小于8的克隆中几乎不含EEC；而细胞数目达到10及以上的克隆几乎全部含EEC——呈现出一个以k=9为阈值的开关式曲线(图例2i-n）。研究团队也研究了在急性肠道损伤下，干细胞的计数是否还稳定。数据显示在年轻果蝇肠道中的急性损伤不影响k=9的干细胞分化计数行为(图例2 o）。综上所述，研究团队发现了果蝇肠道干细胞通过对自我更新的计数，转变自身分化方向的现象(图例2p）。这项发现解释了干细胞如何维持不同子代细胞间的比例，并且这种子代细胞的产生方式自然形成了肠道内分泌细胞在肠道上皮中的分散分布，有利于肠道内分泌细胞对肠腔中营养成分的感知和对肠道生理的调节。

图例2. 肠道干细胞在制造完EEC后，进行八次产生EC的分裂，在第九次分裂重新产生EEC。

那么，ISC究竟如何“计数”自己的分裂次数？研究团队进行了系统的MARCM克隆遗传筛选，结果显示，敲降多梳蛋白复合体（PcG）组分显著降低克隆中EEC的比例；而敲降三胸蛋白复合体（TrxG）成员则显著增加EEC比例。这表明TrxG与PcG之间通过组蛋白修饰的动态平衡调控ISC的多能性分化。通过构建TrxG组分的功能缺失突变体并进行起点标记分析，研究团队发现trx突变ISC的分化切换从第九次分裂提前至第 4 次分裂，ash1突变则提前至第 5 次分裂。与之相对，PcG组分突变导致ISC几乎无法产生EEC ； E(z)或Pc杂合突变使 ISC分化切换从第九次分裂延迟至第 11 次分裂。

为了直接验证TrxG/PcG介导的组蛋白H3修饰是否执行分裂计数功能，研究团队利用果蝇组蛋白基因簇（HisC）替换系统，将内源HisC 中的H3 替换为特定位点不可修饰的H3突变体。结果显示，H3K4A突变体使ISC分化切换提前至第4次分裂；H3K36R突变体使分化切换提前至第5次分裂；而引入H3K27R突变体则延迟分化切换至第11次分裂。这些组蛋白替换 /掺入实验验证了组蛋白修饰作为分裂计数器的分子基础：H3K4me3和H3K36me3维持EC的产生，而H3K27me3的积累则触发命运切换。

研究团队进一步通过遗传学实验证明了 Notch信号在分裂计数中的核心地位。他们发现 Notch杂合突变体使得ISC分化切换提前至第 6 次分裂，表明Notch信号减弱导致表观遗传记忆受损。更为关键的是，研究团队发现 Notch 的瞬时短暂激活可以将ISC的“分裂计数器”重置回肠道内分泌细胞产生后的起点状态。这一结果直接证明了瞬时Notch信号建立了后续8次产生EB/ EC分裂的表观遗传记忆。

综合以上发现，郭峥课题组提出了一个完整的ISC多能性计数模型：当ISC产生EMC后，EMC来源的瞬时Notch信号在ISC中建立TrxG依赖性的转录激活型组蛋白标记（H3K4me3、H3K36me3、H3K27ac）。在 ISC接下来的八次有丝分裂中，ISC产生肠道上皮细胞（EC）。由于在 EC的产生过程中，ISC中的Notch不再被激活。因此，激活型的组蛋白修饰在DNA复制的过程中逐渐稀释，转录抑制型组蛋白修饰（H3K27me3）逐渐积累，在第九次分裂时修饰达到阈值，触发 ISC再次产生EMC，完成多能分化的循环，确保 EEC与EC的比例恒定且产生顺序正确。

图例3：肠道干细胞通过“表观计数器”对分裂计数，在第九次分裂转变分化方向的模式图。

郭峥团队的这一发现首次揭示了干细胞通过组蛋白修饰“计数”自身分裂次数进而精确调控分化命运的机制，为理解细胞命运多能性的稳健构成提供了一个完整的运行范例。通过调控PcG/TrxG活性或Notch信号强度来重新编程干细胞的分化输出，为组织工程和分化相关疾病治疗提供了潜在靶点。此外，该机制具有重要的进化保守性和临床意义：在哺乳动物中，造血干细胞等成体干细胞同样需要精确控制各谱系输出比例，组蛋白修饰 “分裂计数器 ” 可能是普遍存在的调控策略。理解干细胞如何精确执行 “命运转换时序程序”，不仅对于阐明生命体稳健性的设计原理具有重大科学意义，也将为基于干细胞的再生医学、组织工程以及细胞分化异常相关疾病（如肿瘤、内分泌紊乱）的治疗提供全新的理论依据和潜在的干预靶点。

该研究的通讯作者为华中科技大学同济医学院郭峥教授，童东博士和李安奇博士为共同第一作者。华中科技大学同济医学院韩芸耘教授、机械学院梁杰俊一副教授以及蒋泉泉同学为该研究进行数学建模和计算机模拟；袁启立同学以及同济医学院的何西淼教授、刘晓昭同学为该研究进行生物信息学分析。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10814-y

制版人：十一

学术合作组织

（*排名不分先后）