甾体类性激素能够在青春期、发情期和孕期调节生殖器官的生长和生理变化，其代谢调节紊乱会导致乳腺、子宫和前列腺等生殖系统肿瘤的发生。20-羟基蜕皮酮（20HE，20-hydroxy-ecdysone，即蜕皮激素）及其衍生物是果蝇体内主要的甾体类激素，其受体EcR通过与分子伴侣USP形成核内转录复合体，启动HR3、Broad和Eip75B等靶基因的转录，并进一步调控下游效应基因的表达，最终调节幼虫的周期性蜕皮及变态发育，影响果蝇的体型大小和形态变化【1】。雌蝇成虫交配后20HE由卵巢分泌，导致雌性中20HE含量显着高于雄性，并能够作用于成虫的神经系统和生殖系统，影响新陈代谢和寿命【2】，但20HE在非生殖器官中的调控功能，尤其是肠道发育中的作用尚不清楚。同种昆虫雌雄性间除生殖器官的结构不同外，在体型大小、体色和结构等方面也常有明显差异，这种现象即昆虫的雌雄二型现象，而许多疾病的易感性和发生也具有性别差异性。在果蝇肠道中，雌性肠道干细胞（ISC，intestinal stem cell）相比雄性增殖能力更强，且更容易出现衰老依赖性肠道发育不良和肠道肿瘤，这些性别差异性可能是由于ISC自主性和/或系统性因素所导致的【3】。7月8日，德国癌症研究中心Bruce Edgar教授领衔在Nature杂志发表了题为“Fitness trade-offs incurred by ovary-to-gut steroid signalling in Drosophila”的研究论文，发现雌蝇卵巢分泌的蜕皮激素能通过作用于肠道祖细胞中的EcR/Usp信号促进已交配雌蝇的肠道生长，进而提高雌蝇的生殖力，但伴随着肠道干细胞增殖能力的提高，雌蝇中衰老依赖性肠道发育不良和肿瘤发生几率也明显上升，导致寿命缩短。本研究证明器官间互作信号通过改变干细胞行为来调节器官发育的同时，会介导机体 “适合度性状的权衡”（trade-offs in fitness traits），维持机体健康与寿命。
图120HE能促进果蝇ISC的有丝分裂首先，作者发现病原菌处理后会诱导果蝇ISCs有丝分裂，而雌蝇的分裂程度要高于雄蝇。通过抑制性别决定基因使雌蝇发生雄性化后，雌蝇ISCs的有丝分裂受到抑制（图1），且交配后雌蝇的抑制程度要高于处女蝇。由于已交配雌蝇体内的蜕皮激素滴度比处女蝇及雄蝇要高，作者因此检测了蜕皮激素20HE处理是否会影响ISC的增殖，发现20HE处理能强烈诱导处女蝇的ISC分裂，且该诱导效应不受性别的影响，在已交配雌蝇和雄蝇中均存在（图1）。
图220HE能通过作用于肠道祖细胞中的EcR/Usp促进ISC的有丝分裂外源性20HE处理会诱导中肠ISCs、成肠细胞（EBs，enteroblasts）和肠上皮细胞（ECs，enterocytes）中的EcR/Usp信号上调。通过研究EcR/Usp信号在ISCs有丝分裂中的作用，作者发现20HE处理会诱导ISCs发生两次分裂，第一次需要ISCs中EcR参与，发生在20HE处理6h后，第二次部分依赖于EBs细胞中的EcR信号，发生于处理后16h（图2）。20HE诱导ISCs分裂具有可逆性，且不同剪接形式的EcR诱导ISCs分裂的程度存在差异，EcR-A作用更强。此外，致病菌感染并不会增强EcR活性，EcR在感染诱导的肠道再生过程中并未发挥明显作用，而敲低Usp会抑制感染诱导的ISCs分裂，表明Usp在肠道稳态调控中具有独立于EcR的功能（图2）。
图3 Jak-Stat和Egfr-ERK信号调节了20HE对ISC有丝分裂的调控肠道受胁迫后的ISCs激活与Upd-Jak-Stat信号和Egfr-ERK信号密切相关【4,5】，作者接下来探究了20HE诱导的ISCs激活与上述两种信号通路的关系（图3）。20HE处理6h后，Egfr配体spi和krn及其活化激酶rho活性上升，而Jak-Stat信号通路的分子未发生显着变化，而16h处理会在一定程度上诱导Egfr效应蛋白ERK和Stat通路的配体upd2和upd3的表达。upd2、upd3和rho的诱导依赖于ISCs和EBs中的EcR，ERK的激活需要upd2，而20HE处理后上述所有Egfr和Stat信号通路组件的变化均受到ISC有丝分裂的影响。因此，Jak-Stat和Egfr-ERK信号的激活是对早期ISC有丝分裂引起的上皮应激的反应。此外，作者发现EBs和ECs分泌的upd2对20HE处理6h后的ISCs分裂影响不大，但能强烈诱导20HE处理16h后ISCs的分裂，而Egfr和Rho在20HE诱导的两次ISCs分裂过程中都是必需的。因此，ISC的分裂最初是通过EcR自主激活的，需要Egfr和Rho，而后来的分裂部分依赖于EBs和ECs产生的细胞因子upd，这可能是为了应对第一次核分裂的压力（图3）。而EcR与Egfr信号通路的关系值得进一步研究。
图4 雌雄果蝇肠道形态上的差异受20HE分泌量差异的影响由于已交配雌蝇分泌的20HE量要显着高于雄蝇和处女蝇的分泌量，作者推测不同性别果蝇肠道生理上的差异很可能是20HE分泌量的差异导致的。20HE长期处理雄果蝇会导致其ISCs有丝分裂增强、胁迫响应能力提高、表皮更新变快及中肠体积变大，也会促进处女蝇中肠ISCs的增殖，这与已交配雌果蝇表型相似（图4）。而雄果蝇中肠中诱导雌性化转变或强制表达ISCs分裂素并不能使雄性果蝇中肠体积变大，表明20HE对肠道稳态的调控独立于性别决定系统，且并不仅仅影响了ISC的有丝分裂率（图4）。而在ISCs和EBs中抑制20HE信号会使已交配雌蝇的肠道变小，并抑制应激导致的ISCs有丝分裂。
图5 20HE在体内调控了果蝇ISCs增殖及肠道形态的性二态特征此外，交配诱导的内源性20HE同样会通过ISCs和EBs中的EcR信号诱导ISCs的分裂和肠道增大，并能诱导upd2和rho的表达。因此，20HE处理会诱导果蝇ISC增殖及肠道增大，更重要的是，20HE信号能在正常生理状态下调控果蝇ISCs增殖及肠道形态的性二态特征（图5）。
图620HE能通过促进ISCs分裂提高雌蝇的生殖力随后，作者探究了内源性20HE调节果蝇肠道稳态的机制。首先，作者发现交配依赖性的ISCs有丝分裂、ISCs增殖及肠道变大是由卵巢释放的20HE信号传导到肠道后，导致ISCs数目发生20HE和EcR依赖性增加所导致的。而在肠道祖细胞（ISCs和EBs）中抑制EcR表达会导致雌蝇产卵数目减少，表明果蝇交配后发生的20HE依赖性肠道重构能提高雌蝇的生殖力（图6 b,c）。果蝇分泌的另一种重要激素——保幼激素（JH，juvenile hormone）同样能够以交配依赖性方式促进果蝇肠道生长及雌性生殖【6】，通过研究JH与20HE间的关系，作者发现20HE与JH间存在互作关系，JH调控ISCs的分裂需要20HE的参与（图6 f）。
图720HE-EcR信号能通过下游Eip75B、Broad和Hr3调节ISC的增殖其次，转录因子Broad和核受体Eip75B作为EcR的两个关键靶点，在20HE处理或交配后的表达显着上调，且在祖细胞中敲低其中之一的表达能够抑制20HE诱导的ISCs有丝分裂。此外，相比Broad，Eip75B的作用更加不可或缺，Eip75B敲除能够完全重现 EcR敲低所导致的肠道变化表型（图7）。Eip75B能通过与核受体Hr3结合以抑制Hr3介导的转录激活，作者发现过表达Eip75B或20HE处理能抑制Hr3活性，而过表达Hr3会抑制ISCs增殖，抑制Hr3能够缓解Eip75B敲低导致的ISC增殖抑制表型（图7）。因此，Hr3是Eip75B调节肠道稳态中的重要靶标。此外，Eip75B、Broad和Hr3能够不依赖于20HE，调节应激状态下ISC的增殖，而Eip75B的作用受到haem(Eip75B配体)和NO的调控，但haem和一氧化氮在果蝇肠道中的作用尚不清楚（图7）。综上，卵巢释放的20HE作用于ISCs中的EcR后，EcR能通过下游Eip75B、Broad和Hr3调节ISC的增殖。
图820HE能调节衰老依赖性的肠道发育异常雌蝇在衰老过程中会发生比雄性更加明显的进行性肠道发育失调，表现为ISCs过度增殖和分裂异常，进而导致高菌群负荷（肠道内生态失调）和肠道屏障破坏，最终导致寿命减短。中肠祖细胞中抑制EcR、Usp或Eip75B，或者抑制卵巢及全身中20HE合成酶活性，会延缓果蝇衰老过程中的肠道异常，此时施加20HE处理会逆转该效应（图8）。因此，衰老依赖性的肠道发育异常受到卵巢释放的20HE调节，这导致了肠道发育过程中存在的性二态现象。
图920HE会诱导已交配雌蝇肠道肿瘤的发生此外，雌蝇相比雄蝇更容易罹患遗传因素导致的肠道肿瘤，作者通过在祖细胞中敲低诱导EC分裂的配体Notch的表达，发现已交配雌蝇发生肿瘤的概率要显着高于雄蝇和处女蝇，而已交配雌蝇所分泌的20HE是导致其肿瘤发生率高的直接原因（图9）。因此，交配诱导的卵巢20HE分泌能刺激肠道形态重塑，但也会导致雌蝇肠道发育不良及肠道肿瘤的发生。肠道发育异常、肿瘤发生和产卵行为均会导致果蝇寿命缩短，作者推测20HE可能通过影响肠道稳态对果蝇寿命产生负面影响。生存实验表明，中肠祖细胞中抑制EcR会延长雌蝇寿命，但对雄蝇寿命影响不大。从进化角度出发，与增加产卵量所带来的生殖健康优势相比，性别特异性激素信号所导致的寿命略微缩短可能是微不足道的，野生环境中更是这样，因为在野生环境中果蝇更容易由于营养匮乏而死亡，相比之下肠道代谢紊乱对果蝇存活与否的影响要小得多。
图10蜕皮激素通过权衡肠道稳态和生殖力影响果蝇健康与寿命综上所述，本研究发现果蝇交配后卵巢释放的蜕皮激素能通过作用于中肠祖细胞中的EcR受体及其下游信号Broad和Eip75B等，调节果蝇肠道发育，并通过营养信号影响果蝇的生殖力，蜕皮激素信号通过平衡肠道生长与生殖力，维持了果蝇的肠道健康与衰老过程（图10）。果蝇与人类在生殖调节上具有一定的相似性，人类肠道在怀孕和哺乳期也会经历与果蝇类似的适应性生长过程，这可能依赖于雌激素和孕激素。昆虫20HE促进有丝分裂的作用与哺乳动物中的雌激素和睾酮类似，而雌激素和睾酮是乳腺、子宫和前列腺生长和肿瘤发生的驱动因子。然而，我们目前对生殖激素是如何参与人类肠道生理调节的仍然知之甚少，深入研究生殖激素介导的组织间互作调控规律，将为我们理解消化道肿瘤等疾病的发生提供新的线索。参考文献：【1】Schwedes, C. C. & Carney, G. E. Ecdysone signaling in adult Drosophila melanogaster.J. Insect Physiol. 58, 293–302 ().【2】Ameku, T. & Niwa, R. Mating-induced increase in germline stemcells via the neuroendocrine system in female Drosophila. PLoS Genet. 12, e1006123 ().【3】Regan, J. C. et al. Sex difference in pathology of the ageing gut mediates the greater response of female lifespan to dietary restriction. eLife 5, e10956 ().【4】Jiang, H. et al. Cytokine/Jak/Stat signaling mediates regeneration and homeostasis in theDrosophila midgut. Cell 137, 1343–1355 ().【5】Jiang, H., Grenley, M. O., Bravo, M. J., Blumhagen, R. Z. & Edgar, B. A. EGFR/Ras/MAPK signaling mediates adult midgut epithelial homeostasis and regeneration in Drosophila.Cell Stem Cell 8, 84–95 ().【6】Reiff, T. et al. Endocrine remodelling of the adult intestine sustains reproduction inDrosophila. eLife 4, e06930 ().
详解 | Nature：卵巢分泌的蜕皮激素能够通过调节肠道发育-生殖力的平衡影响肿瘤发生与寿命
如果觉得《详解 | Nature：卵巢分泌的蜕皮激素能够通过调节肠道发育-生殖力的平衡影响肿瘤发生》对你有帮助，请点赞、收藏，并留下你的观点哦！
