Nature丨 杭高院生命学院周斌团队发现肺泡上皮干细胞通过转分化促进支气管再生

北京时间2026年10月7日23点20分，国际学术期刊《Nature》以Research Article形式在线发表了国科大杭州高等研究院/中国科学院分子细胞科学卓越创新中心周斌课题组的最新成果“Alveolar stem cells transdifferentiate to drive bronchiolar regeneration”。该研究建立了Cre-loxP和Dre-rox双同源重组酶介导的遗传谱系示踪新技术，结合多种小鼠支气管损伤模型，系统研究了支气管上皮损伤后肺泡II型上皮细胞（AT2细胞）跨区域迁移、转分化为支气管上皮细胞并促进再生修复的过程，并揭示了参与细胞命运调控的分子机制。不仅为肺脏疾病治疗研究提供了新的科学依据和突破口，也为器官发育和再生医学研究提供了新的技术方法。

1.研究意义

维持肺脏结构和功能稳定对人类生存至关重要，肺上皮干细胞在肺损伤后再生修复中起核心作用。支气管上皮是肺与外界环境的第一道防线，其屏障、分泌和纤毛清除功能受损，会参与慢性阻塞性肺病、哮喘等呼吸系统疾病的发生发展。肺泡上皮主要由AT1和AT2细胞构成，其中AT2细胞（分子标记Sftpc）作为肺泡干细胞可自我更新并分化为AT1细胞；支气管和肺泡交界处还存在同时表达Scgb1a1和Sftpc的支气管肺泡干细胞（BASCs）。周斌团队此前发现BASCs具有向支气管和肺泡上皮双向分化潜能，club细胞也可参与肺泡修复，然而肺泡AT2细胞能否逆向跨区域参与支气管上皮修复尚不清楚。由于传统谱系示踪技术存在非特异性标记缺陷，这一问题一直缺乏体内遗传学证据。

2.研究内容

为回答这一问题，研究人员首先发现领域内常用的基于单基因标记的Sftpc-CreER除标记AT2细胞外，还“异位”标记BASCs，严重干扰AT2细胞谱系示踪结果。为解决这一问题，研究人员构建了AT2-tracer1系统，利用白喉毒素（DT）特异性清除club细胞和BASCs，并同时示踪AT2细胞。结合DT诱导的支气管损伤模型，发现AT2细胞能够迁移进入细支气管并转分化为club细胞和纤毛细胞，从而促进支气管再生修复。进一步，研究人员利用双同源重组谱系示踪技术，分别通过“嵌套策略”和“交叉标记策略”构建了AT2-tracer2和AT2-tracer3，以特异性标记AT2细胞。结合萘（Naphthalene）诱导支气管损伤模型，同样发现AT2细胞能够跨区域迁移并转分化为club细胞和纤毛细胞，促进支气管再生修复。

那么，是何种信号通路调控AT2细胞的迁移和转分化？研究人员结合单细胞转录组测序（scRNA-seq）、双同源重组系统和细胞特异性基因编辑技术，发现AT2细胞通过Cldn4⁺中间过渡态分化为club细胞；在AT2细胞中特异性敲除Cldn4后，其向club细胞命运转变显著降低。以上结果说明Cldn4⁺中间过渡细胞不仅贡献于细支气管上皮，还在功能上促进AT2细胞介导的上皮修复。

通过scRNA-seq分析发现，Notch信号通路在AT2来源的中间过渡细胞和club细胞中上调。体内功能实验表明，敲除Rbpj显著抑制AT2细胞向club细胞转分化，并导致小气道通气功能下降；激活Notch通路则增强转分化。进一步发现，损伤后纤毛细胞是主要Notch配体来源，高表达Jag1/2，并与迁移到支气管的AT2来源细胞存在Jag1-Notch2信号传导。清除纤毛细胞，或在纤毛细胞中敲除Jag1、在AT2来源细胞中敲除Notch2，均显著抑制AT2向club细胞转分化，证明纤毛细胞通过JAG1-Notch2信号调控该过程。

在迁移机制方面，scRNA-seq显示DT损伤增强免疫细胞来源SPP1与AT2细胞表面整合素β1（ITGB1）的相互作用。空间转录组分析显示，损伤后支气管周围免疫细胞浸润增加约3倍，CD45⁺免疫细胞高表达SPP1并形成浓度梯度。对小鼠进行SPP1抑制剂处理显著抑制AT2细胞向支气管迁移；在AT2细胞中特异性敲除Itgb1同样减少迁移，并导致小气道通气功能受损。以上结果表明，AT2向club细胞转分化经历迁移和转分化两个步骤：支气管损伤后浸润的免疫细胞分泌SPP1，与AT2细胞表面的ITGB1结合，引导AT2细胞定向迁移；AT2细胞到达细支气管后，接收纤毛细胞来源的Notch配体JAG1，通过Notch2驱动其向club细胞转分化。

图注：支气管上皮损伤后AT2细胞跨区域参与支气管修复再生

综上，该研究通过构建精准的双同源重组介导的谱系示踪技术，系统解析了支气管损伤后上皮再生的细胞来源，首次提供了AT2细胞跨区域转分化驱动支气管再生的体内遗传学证据，揭示了SPP1-ITGB1趋化轴和Notch信号通路在其中的关键调控作用，拓展了对肺再生可塑性的理解，为慢性阻塞性肺病、哮喘、支气管扩张等气道损伤相关疾病的治疗策略提供了新的理论依据和潜在靶点。

周斌研究员团队

杭高院生命学院周斌研究员团队长期致力于基于同源重组酶系统的遗传谱系示踪技术，在哺乳动物模型中精准标记并追踪体内细胞，系统解析细胞起源与命运轨迹，深入探究发育、疾病及再生过程中细胞分化、增殖、衰老与死亡等关键事件，并阐明其背后的分子调控机制。团队围绕领域核心科学问题持续攻关，产出一系列系统性原创成果，代表性论文发表于《Cell》《Nature》《Science》等国际知名学术期刊。下一步，团队将聚焦心脏和肺脏等重要器官，搭建器官发育与再生研究平台，致力于为相关疾病治疗提供关键理论支撑及潜在干预靶点。

近年来，杭高院深耕有组织科研，做强战略科技力量，多项重磅成果集中亮相 CNS三大国际顶尖期刊。截至目前，两项成果登上《Cell》，其中一项入选2024年度 “浙江十大科技事件”；两项成果登上《Nature》，获得业内外高度关注和认可；《Science》成果首次完整揭示阻遏蛋白（arrestin）调控趋化素受体 GPR1 的分子机制，刷新学界对 GPCR 非典型信号调控的认知。系列突破充分彰显了我院立足交叉学科优势，勇攀科研高峰、不断产出原创科技成果的硬核实力。

3.文章信息