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干细胞是位于特化间充质“生态位”中的原始细胞，缺乏任何确定的谱系承诺标记的表达，因此很难定义和识别。干细胞在其宿主的整个生命周期中保持无限自我复制的能力，也可以分裂产生子细胞，致力于在其起源组织中形成每一个成年细胞谱系。胃肠道的干细胞仍然是未知的，这导致了许多关于它们的确切性质和功能的相互矛盾的假设。例如，干细胞在肠隐窝和胃腺中的数量和位置从未得到最终证实，因此，在正常情况下和在肿瘤中这些结构的克隆起源是一个模糊的问题。胃肠道癌形成的形态学事件是激烈争论的，有两个主要的相互矛盾的假设的扩增机制的突变干细胞克隆。然而，随着控制胃肠道干细胞功能的分子途径的出现，以及肠道分子干细胞标志物如Musashi-1的鉴定，对胃肠道干细胞的特性有了更清晰的认识。来自不同组织的成体干细胞可以离开它们的生态位，移植到外部组织中，包括胃肠道粘膜和下层间质，并转化为这些外来环境共同的成体细胞谱系。当再生需求增强时(即在病变或受损组织中)，这一过程是最佳的，事实上，移植骨髓干细胞对肠肌成纤维细胞的贡献在结肠炎中显著上调。然而，成体干细胞的可塑性最近受到了一些报道的轻视，这些报道认为干细胞会自发地与本土成体细胞融合，形成具有异常核型的二倍体细胞。因此，研究骨髓细胞是否有助于形成胃肠道干细胞群，以及它们这样做的机制是很重要的。确定胃肠道干细胞的起源、位置和分子调控因子将使我们对正常胃肠功能和肿瘤改变的遗传途径有更清晰的了解。
介绍
干细胞是大的原始细胞，不表达谱系分化的标记，因此很难在形态学上定义和表征。从根本上说，干细胞提供了人体每个器官的基础，它们通过对称分裂自我更新的能力，以及通过非对称细胞分裂在自身组织中生成整个成年细胞成分的能力。干细胞调节组织中细胞产生的速率，以维持内稳态，并可上调细胞周转，同时增加由损伤或疾病所决定的再生需求。胃肠道干细胞经过多能分裂产生整个胃肠道的特化细胞库。该组织中承诺细胞的快速周转率意味着干细胞在调节细胞增殖、衰老和凋亡时必须保持体内平衡。随着成体干细胞不局限于自身器官内的细胞生产，而是可以移植到外部组织中，并在这种新环境中产生专门的成体细胞谱系，成体干细胞在再生生物学和临床医学中的潜力变得明显起来。一些组织的成体干细胞已被证明在外来组织中形成成体细胞谱系，这种现象被称为“可塑性”或“转分化”。例如，移植的成体骨髓干细胞(BMSC)有助于几种非造血成体细胞类型，包括小鼠和人类胃肠道中的上皮和间充质系。1 -5然而，重要的是要证明这些骨髓间充质干细胞衍生的谱系是功能性的，具有克隆能力，而不仅仅是一种转分化表型。这已在富马酰乙酰乙酸水解酶(FAH)中得到证实−−/)缺陷小鼠，会发展成一种类似于人类I型遗传性酪氨酸血症的致命代谢性肝病，并可通过造血骨髓间充质干细胞的移植来挽救，骨髓间充质干细胞迁移到肝脏并转化为合成肝细胞的FAH。6虽然骨髓细胞已被证明有助于胃肠道的多种细胞谱系，但其功能组织再生和克隆扩展的能力目前尚不清楚。进一步研究成体干细胞转分化的机制，以及胃肠道上皮和间充质谱系的起源，可能会对正常胃肠道功能的细胞机制，以及导致疾病和肿瘤发生的遗传和细胞途径提供更清晰的认识。
胃肠道上皮细胞谱系
胃肠道中有四种主要的上皮细胞谱系，每一种都表现出与其位置相关的形态和功能的变化。”柱状“细胞，称为”肠上皮细胞，在小肠和colonocytes在大肠中，包括胃肠道粘膜的主要上皮细胞谱系;”粘蛋白分泌细胞，小肠和结肠中的杯状细胞，胃中的胃小凹粘液细胞;”内分泌”、“神经内分泌”或“enteroendocrine分泌肽激素的细胞;和“Paneth“小肠和升结肠中的细胞，含有大的根尖分泌颗粒，表达特定的蛋白质，包括溶菌酶、肿瘤坏死因子和抗菌隐素分子。其他不太常见的细胞系也存在，如空泡细胞和M(膜或微褶)细胞。在胃中，消化/主细胞或颧细胞位于基底区和体区腺体的底部，分泌酸的顶叶(酸)细胞位于胃体腺体的底部(赖特评论)7)．胃肠道的上皮细胞谱系在不断更新，在正常情况下，每2-7天就会有完全的自我更新，而在组织损伤后，这种更新会增加。胃肠道中增殖和分化细胞的这种复杂的分级排列是由多功能胃肠干细胞调节的，尽管进行了广泛的研究，但由于其高度原始的性质和缺乏任何确定的表型和形态学标记，仍未确定。胃肠道干细胞的确切数量和位置是一个相当有争议的话题，尽管由于它们位于胃腺和肠隐窝中细胞流动的起源，它们被认为维持着一个极化的上皮层次。在小肠中，它们被认为位于位于Paneth细胞上方的隐窝基部，而在大肠中，它们被认为位于升结肠的中隐窝和降结肠的隐窝基部。7在胃中，胃腺中分化细胞的迁移是双向的，从腺体中心的颈部/峡部区域，因此被认为是干细胞龛的位置。8
胃肠道上皮的克隆起源
早期的“一神假说”认为胃肠道的上皮细胞系是由单个干细胞衍生的克隆群体，9日,10尽管相反的报道在肠隐窝中有4到6个干细胞11另外，单个隐窝中干细胞的数量也有可能达到16个或更多。12在整个隐窝周期中，干细胞数量可能会发生波动，干细胞的阈值数量是隐窝复制或“隐窝裂变”发生的信号，13也有人假设，在胃肠道的不同区域干细胞的数量是不同的。14在功能上，胃肠道干细胞可以通过其在照射损伤后再生整个肠隐窝和绒毛的能力来证明，这只有在干细胞保持其在利基内的活力时才有可能。15单克隆肠隐窝在照射后已被证实，表明一个单一的多功能存活干细胞可以再生整个隐窝，从而证实了一种假设，尽管是在受损的黏膜。16组织克隆研究通常在嵌合和镶嵌动物中进行，其中不同的创始种系细胞群通过其独特的表型标记进行识别。例如，在XX/XY嵌合小鼠中，雄性和雌性来源的细胞由其表达或缺乏Y染色体来区分，17以及在C57BL/6J Lac (B6) ' SWR小鼠胚胎聚集嵌合体中的凝集素白biflorus凝集素与B6源性而非SWR源性细胞的位点结合。10在这两个模型中，克隆研究表明胃腺17肠隐窝是单克隆结构。10雌性小鼠，杂合子的X连锁多态性导致葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PD)表达减少，自然镶嵌，并允许原位分析胃肠道细胞的克隆结构。在这些小鼠的小肠中，隐窝是单克隆结构，尽管绒毛是多克隆来源，被认为是由多个单克隆肠隐窝的迁移分化后代形成的。18在人类中，肠隐窝和绒毛的克隆起源似乎类似于小鼠。例如，在一个罕见的XO/XY家族性腺瘤性息肉病(FAP)患者中，肠隐窝是单克隆群体，因为每个隐窝的整个上皮细胞成分要么表达，要么缺乏Y染色体(图1A)。在该患者的小肠中，绒毛上皮包含XO和XY细胞的混合物，因此是多克隆结构，被认为是由从多个隐窝迁移的细胞组成(图1B)。19值得注意的是，就肿瘤而言，如果克隆研究忽视了“块大小，其中a“补丁描述为组织区域内单一基因型细胞的数量，来源于单个克隆或来自同一谱系的多个克隆的合并。20.21克隆性必须在补丁边缘确定，因为不可能分辨出补丁中心的细胞是真正的克隆还是简单的单表型(由几个相同基因型的干细胞形成)。在17%的撒丁岛女性中存在G6PD地中海突变(563 C→T)的杂合性，允许通过G6PD免疫组化染色分析斑块大小。从9名携带G6PD地中海突变的患者中分析了10538个结肠隐窝，观察到结肠中的斑块尺寸相对较大，包含多达450个隐窝。在位于斑块边缘的2260个隐窝中没有观察到任何混合表型的隐窝，这表明结肠隐窝确实是单克隆产生的，与之前的结果一致22(图2)。
正常人肠隐窝和小肠绒毛的克隆起源。(A)人类结肠隐窝的单克隆起源:用Y染色体特异性探针原位杂交染色XO/XY嵌合个体的正常结肠黏膜，显示XO隐窝(中央)被两个XY隐窝包围(由M Novelli提供)。(B)绒毛，接受来自多个不同克隆来源的隐窝的细胞，在这个X0/XY患者中显示多克隆模式。除了偶尔出现的Y染色体阳性炎症细胞(红色染色体标记)，绒毛右侧的大多数细胞是XO(绿色染色体标记)，而左侧的细胞是XY(红色和绿色染色体标记)(由R Poulsom提供)。
在确定肠隐窝克隆起源的研究中，斑块大小的证明是至关重要的。正常结肠黏膜内隐窝横切面葡萄糖-6-磷酸脱氢酶染色图显示隐窝大斑块，斑块边界不规则(来自Novelli和同事22与许可)。
最近的DNA标记研究为小鼠小肠干细胞增殖和基因组保护的机制提供了一个新的视角。用氚化胸腺嘧啶标记肠干细胞DNA模板链(3.HTdR)和溴脱氧尿苷(BrdUrd)标记新合成的子链，可以研究细胞分裂过程中两个DNA链的分离。尽管新合成的BrdUrd标记链被传递给子细胞，但原始模板DNA仍保留在干细胞内，子细胞承诺离开干细胞龛并分化。这项研究表明，干细胞进行不对称分裂，通过丢弃新合成的DNA，更容易复制诱导突变，干细胞利用了一种与生俱来的基因组保护机制。23
胃肠道上皮干细胞龛
人们普遍认为，大多数组织中的干细胞都存在于所谓的干细胞室或“生态位”中，它为干细胞功能提供并维持最佳的微环境。胃肠道上皮干细胞生态位被认为是由间充质固有层的底层细胞及其分泌的基底膜因子形成和维持的，基底膜因子通过各种生长因子和细胞因子的旁分泌调节干细胞行为，这些受体位于胃肠道上皮细胞上(Powell和同事对其进行了评论)24)．“概念性”干细胞生态位应具有三个标准成分:支持细胞及其分泌的调节干细胞行为的细胞外基质，信号分子覆盖的靶细胞范围，以及干细胞本身。25从功能上讲，一个生态位的特征是它在干细胞被移除后的持久性，相反，如果干细胞从它们的生态位中被提取出来，它们就不再保留它们的干细胞潜能或“干细胞性”。26
胃肠道上皮干细胞的分子标记
Musashi-1 (Msi-1)是一种神经RNA结合蛋白，是果蝇蛋白质的哺乳动物同源物，在感觉神经前体细胞的不对称分裂中需要它27，28最近被证实在哺乳动物神经干细胞中高度表达。29转录抑制因子his -1是神经干细胞自我更新所必需的，并抑制神经干细胞向神经元谱系分化30 -32是细胞分化Notch信号通路的下游靶点，33在本综述的后面描述。此外，最近有研究表明，Msi-1正向调控he -1的转录，提示Msi-1与he -1之间存在密切的相互作用。34Msi-1和he -1蛋白在小肠(假设的干细胞区域)的Paneth细胞之上的细胞中共同表达。he -1比Msi-1表达更广泛，在向绒毛末端迁移的上皮细胞中也有表达，尽管表达水平较低。研究表明，在Paneth细胞上方的细胞中，Msi-1和he -1的共定位表明了小鼠小肠中的干细胞群，而he -1的单独表达代表了分化的增殖细胞，这些细胞已经随干细胞龛迁移出去。35Musashi-1 mRNA和蛋白的表达也被证实在新生和成年小鼠肠道隐窝的干细胞中，23最近在人类结肠隐窝中位于1 - 10位之间的上皮细胞中证实了这一现象(图3)。36这些研究暗示武藏-1可能是胃肠道干细胞标志物。
武藏-1在人结肠隐窝中的表达——一种假定的干细胞标记物。人结肠隐窝共聚焦成像(红色:碘化丙啶;绿色:Musashi-1)。在隐窝基部附近发现了几个武藏-1阳性细胞36与许可)。
胃肠道内骨髓干细胞的可塑性
干细胞可塑性的研究表明，胃肠道中成体细胞谱系的分化途径可能没有以前认为的那么受限制。移植的骨髓间充质干细胞已被证明可在小鼠和人类胃肠道中发生转分化，形成上皮细胞和间充质细胞系。在移植后11个月，注射了单一雄性造血骨髓间充质干细胞的致命辐照雌性小鼠在食道、胃、小肠和结肠中显示出供体来源的上皮细胞。3.同样，在接受外周血干细胞移植的患者中，在整个胃肠道粘膜中观察到供体来源的上皮细胞。4一个纯化的间充质干细胞群被注射到早期小鼠囊胚中，被证明在胃肠道内移植并转分化形成肠上皮细胞，5在受致命辐射的雌性小鼠的小肠和结肠中，通过从雄性小鼠供体移植骨髓干细胞获得拯救，以及在从男性供体骨髓移植后发生移植物抗宿主病的女性患者的胃肠道活组织检查中，移植的骨髓干细胞被证明有助于增加肌成纤维细胞群，即肠上皮下肌成纤维细胞(ISEMF)。这些细胞位于上皮粘膜下的固有层，通过上皮-间质相互作用调节肠上皮细胞的功能。24移植的骨髓间充质干细胞对小鼠和人小肠和结肠的isemf都有贡献。这在小鼠小肠和结肠移植一周后就被观察到，到移植6周后，小鼠结肠中几乎60%的isemf来自供体。2为了研究这些供体来源的isemf的功能能力，我们使用与人类克罗恩病相似的实验性结肠炎小鼠模型来确定骨髓间充质干细胞对再生应激的反应。性别不匹配的骨髓间充质干细胞移植6周后诱导结肠炎，结果表明，与正常结肠相比，移植骨髓间充质干细胞对结肠炎固有层ISEMFs的贡献显著增加，在严重疾病中，76.57%的ISEMFs来自移植干细胞。在正常和患病的结肠中，供体来源的ISEMF经常以细胞柱的形式出现，从隐窝基部延伸到肠腔(图4)，这表明它们是从一个共同的前体骨髓间充质干细胞来源的ISEMF中增殖的，尽管还需要进一步研究这些细胞的增殖状态。移植的骨髓间充质干细胞也可在固有层和粘膜层发生转分化形成成纤维细胞和平滑肌细胞，这表明移植的成人骨髓间充质干细胞有助于病变组织中多种特化的成人胃肠道间充质系系。此外，在炎症结肠新形成的血管中观察到来自移植细胞的血管周围平滑肌细胞和内皮细胞谱系，概述了移植的骨髓间充质干细胞在血管发生中的潜在作用。由于骨髓来源的上皮细胞表现为单一的、明显随机的实体，所以骨髓细胞似乎并不移植到胃肠道上皮细胞龛内，并有助于具有克隆扩展能力的干细胞。然而，骨髓来源的肌成纤维细胞柱的频繁出现提示来自祖干细胞的克隆扩展，骨髓可能有助于肌成纤维细胞干细胞，这突出了骨髓细胞通过间充质:上皮旁分泌相互作用调节上皮细胞功能的潜力。这些结果证实了成人骨髓间充质干细胞在治疗人类疾病(如炎症性肠病)中的重要性。1
骨髓源性肠上皮下肌成纤维细胞(ISEMF)存在于小鼠结肠固有层的细胞柱中，从隐窝基部一直延伸到肠腔。雄性小鼠骨髓移植后六周的雌性小鼠结肠。骨髓来源的ISEMFs作为Y染色体阳性细胞存在，对α-平滑肌肌动蛋白(SMA)免疫反应。Y染色体呈棕色/黑色点状密度，红色细胞质染色表明α-SMA具有免疫反应性(由M Brittan提供)。
骨髓干细胞可塑性的机制:融合还是转分化?
最近，人们对干细胞可塑性机制的有效性产生了怀疑，有报道推断，干细胞只是与组织内的原生细胞融合形成二倍体杂交细胞，而不是进入外来组织并跨越谱系边界转化为发散的细胞类型。胚胎干细胞(ES)与表达GFP的神经干细胞共培养37或表达BMSC的GFP，38当从胚胎干细胞的生态位环境中提取时，成体干细胞似乎与胚胎干细胞融合。然而，这些研究观察到了培养中的转基因细胞，并不能直接类似于成体干细胞可塑性的体内观察。此外，这些报道的融合事件太过罕见，无法解释报道的BMSC在体内某些组织中的可塑性(每10个形成2-11个杂交克隆6伴着38)，在骨髓间充质干细胞移植6周后，正常小鼠结肠中近60%的肠上皮下肌成纤维细胞来自移植细胞，2同样，移植的骨髓间充质干细胞在人胃肠道粘膜上皮细胞中占比高达13%。39为了进一步驳斥成体干细胞与成体细胞自发融合的猜想，移植了来自男性供体的外周血干细胞的女性患者在供体来源的胃肠道上皮细胞中表达了X和Y染色体的正常成分，4和骨髓来源的细胞已在朗格汉斯的胰岛中发现，功能典型的内分泌β细胞，没有细胞融合的证据。40然而，最近出现的证据支持小鼠肝脏的融合假说，即FAH−−/如前所述，小鼠患上致命的遗传性1型酪氨酸血症，可通过移植纯化的肝星状细胞(HSCs)挽救，HSCs可形成功能性肝细胞并再生受损器官。尽管移植的造血干细胞对受损肝脏的初始植入率很低(每100万个本地肝细胞中有一个供体源性肝细胞)，但供体源性肝细胞通过克隆扩增重新植入肝脏。对再生肝脏中供者源性肝细胞的细胞遗传学分析表明，大多数(如果不是全部)细胞核表达一种核型，表明移植供者造血干细胞与宿主肝细胞之间发生了融合，形成了异核体，尽管具有肝细胞特异性表型。41，42由于肝细胞通常是多倍体，因此携带多组染色体，肝脏可能为融合杂交细胞的形成提供了独特的环境。移植骨髓细胞与心肌细胞形成类似的异核体，43和浦肯野细胞,44岁的45都被证实了。尽管成体干细胞提供这种治疗的机制需要进一步的研究，但移植骨髓干细胞挽救一种致命的代谢疾病的基本原则是不变的，不应被忽视。
胃肠道细胞分化的途径
对调节胃肠道细胞增殖和分化的分子途径的进一步了解，将使我们对胃肠道干细胞的位置和行为有更清晰的认识。越来越多的基因及其配体和受体在胃肠道上皮和间充质细胞中表达，并参与正常和肿瘤胃肠道黏膜上皮细胞增殖和分化的调控分子途径。
Wnt/β-catenin信号通路
在标准Wnt通路中，APC(腺瘤性大肠息肉基因)与轴蛋白和糖原合成酶激酶3β (GSK3β)形成亚细胞三聚体复合体，导致β-连环蛋白的磷酸化、泛素化和蛋白体降解，从而通过这种肿瘤抑制复合体保持低水平的胞质和核β-连环蛋白。信号蛋白Wnt，在人类中有19个家族成员，通过其受体“卷曲”激活细胞质中“凌乱”的磷蛋白，导致GSK3β的抑制和胞质β-连环蛋白的积累。46然后β-连环蛋白转移到细胞核，并与DNA结合蛋白Tcf/LEF (T细胞因子/淋巴细胞增强因子)家族成员相互作用，将它们从转录阻遏子转化为激活子，从而激活下游靶基因，增加细胞增殖(图5)，包括c-myc、Tcf -1、细胞周期蛋白D1、c-Jun、Fra-1、尿激酶型纤溶酶原激活子受体、纤维连接蛋白、CD44和基质金属蛋白酶matrilysin其中许多在胃肠道中有致癌的可能(Polakis评论)47Bienz和Clevers48)．当去除Wnt信号后，APC从细胞核中提取β-catenin, Tcf的转录抑制因子功能恢复。49Wnt/β-catenin通路在恶性转化中起着关键作用，据报道85%的人散发结直肠肿瘤有一个APC突变。46这APC突变使GSK3β/Axin/APC复合体不能破坏β-catenin的稳定，从而导致核β-catenin/Tcf/LEF复合体的积累，并导致靶基因转录和细胞增殖的增加，从而导致肿瘤的形成。50岁,51
Wnt信号通路。(A)在没有Wnt信号的情况下，Dishevelled是不活动的(Dsh我)和果蝇zester -white 3或其哺乳动物同源糖原合成酶激酶3 (Zw3/GSK3)是活性的。β-连环蛋白(黑色哑铃)通过与APC-Zw3/GSK3复合物结合，发生磷酸化和。泛素-蛋白酶体途径降解。同时，T细胞因子(Tcf)与细胞核内的DNA结合位点结合，抑制爪蟾中Siamois等基因的表达。(B)在Wnt信号的存在下，Dishevelled被激活(Dsh一个)导致Zw3/GSK3通过一种未知的机制失活。β-Catenin无法被磷酸化，不再靶向泛素-蛋白体途径，而是在细胞质中积累，并通过一个未知的途径进入细胞核，在那里它与Tcf相互作用，减轻下游基因的抑制，并提供一个转录激活域(来自Willert和Nusse)52与许可)。
Tcf/LEF DNA结合蛋白家族
这个转录因子家族有四个已知成员:Tcf-1、LEF1、Tcf-3和Tcf-4。Tcf-4在从E13.5开始的发育中的肠、成人小肠和结肠的上皮以及结肠癌中都有高水平表达。在结肠上皮细胞功能丧失的患者中APC或β-catenin基因，β-catenin/Tcf-4/LEF复合体的核积累意味着Tcf-4在随后的靶基因转录中不受控制，随后的细胞增殖上调往往可导致肿瘤的发生。53在β-catenin缺失的情况下，Tcf/LEF家族招募辅助抑制蛋白“Groucho”和CREB结合蛋白到下游Wnt靶基因上，并抑制其转录(Barker和同事进行了综述54)．敲除tccf -4的小鼠小肠中没有增殖细胞，并被认为缺乏功能干细胞室。因此，我们认为Tcf-4在小肠隐窝的小生境中建立干细胞群是必不可少的，并且被认为是被a激活的Wnt来自底层间充质细胞形成干细胞龛的信号。55
Cdx-1和Cdx-2同源体基因
哺乳动物同源盒蛋白Cdx-1和Cdx-2似乎也在肠上皮干细胞的转录调节中发挥重要作用，特别是对胃肠道化生的影响。Cdx-1在发育和成年小鼠肠隐窝上皮的增殖区表达，56Cdx-1和Cdx-2 mrna在人类小肠和结肠的上皮黏膜中表达受限。57岁的58上面提到的Tcf-4敲除小鼠在小肠上皮中不表达Cdx-1，这意味着Cdx-1是Wnt信号通路中Tcf-4/β-catenin复合物的直接下游靶点，并被用于上皮干细胞龛的发育。59Cdx-1在结肠隐窝增殖上皮细胞核中的表达减少，同时其发展为腺瘤和腺癌，59尽管在Cdx-1缺失的小鼠中没有结肠肿瘤发生，但这种分子似乎没有直接的肿瘤抑制特性。56Cdx-2在降结肠隐窝上部至直肠的所有上皮细胞核中均有表达，表达量的减少与这些细胞异型增生程度的增加平行。60区域特异性基因，如Cdx-1, Cdx-2和Tcf-4似乎定义了肠上皮特化区域的形态特征，并调节干细胞的增殖和分化。
转录因子的叉头家族
叉头或带翼螺旋的转录因子家族，在小鼠中有9个成员，产生Fox(叉头盒)蛋白。61叉头同源物6 (fkh-6)或Fox1基因杂合子靶向突变的小鼠，通常由胃肠道间充质细胞表达，显示不典型的胃肠道上皮，胃中有分支和细长的腺体，细长的绒毛，增生的隐窝，以及由于上皮细胞增殖增加而引起的杯状细胞增生。这些Fox1突变体增加了硫酸肝素蛋白多糖(HSPGs)的水平，导致Wnt/β-catenin通路的过度激活和随后靶细胞增殖的增加，从而证明了通过Fox1介导的HSPG产生对Wnt/β-catenin通路的间接调控。62
TGF-β和Smad信号通路
转化生长因子β (TGF-β)家族是已知的胃肠道上皮细胞增殖抑制剂。正常情况下，TGF-β与丝氨酸-苏氨酸型TGF-β I型(TβRII)和II型(TβRII)受体形成多聚复合物，导致Smad2和Smad3细胞质蛋白磷酸化，并与Smad4形成异聚复合物。然后该复合体转移到细胞核，与转录激活子和辅激活子相互作用，产生TGF-β靶基因转录。63年,64TGF-β/Smad信号通路的中断导致上皮细胞增殖上调，并可导致肿瘤的发生，Smad2和Smad4在人类癌症中经常失活，证实了它们作为肿瘤抑制基因的功能。65由于APC和Smad4野生型等位基因杂合性(LOH)的丢失，Smad4和APC基因杂合靶向突变的小鼠在小肠和结肠中发展成腺瘤性息肉。与仅有APC等位基因杂合子突变的小鼠相比，这些病变进展形成恶性程度增加的腺癌。66该模型暗示了TGF-β和Wnt信号通路在肠道癌变过程中的相互作用，其中在发生恶性转化之前需要这两条通路的基因的LOH。66
胃肠道隐窝和绒毛中干细胞命运和模式的调节
Notch信号通路调节胃肠道上皮细胞命运和胃肠道四种特化上皮谱系的分化。这一途径支持一神假说，即一个干细胞可以产生所有成熟的肠上皮细胞谱系。Notch蛋白水平的增加通过上调Hes1转录抑制因子负向调节Math1基因的转录，Math1基因是一种基本的环-螺旋转录因子。靶向缺失Math1基因的小鼠不能在小肠中形成杯状细胞、Paneth细胞和肠内分泌细胞系，这些Math1阴性上皮细胞祖细胞仅形成肠细胞。67相反，Notch蛋白表达的减少和其配体Delta的积累会通过阻断Hes1蛋白而增加Math1的表达，导致细胞在小肠中进行转分化，形成杯状蛋白、Paneth蛋白和肠内分泌谱系(图6)。68Hes1敲除小鼠显示Math1表达升高，杯状细胞、Paneth细胞和肠内分泌细胞数量同时增加，肠细胞数量减少。69
Math1信号通路。(A)成年小鼠小肠低功率切片。前体细胞(棕色)被细胞周期蛋白PCNA(增殖细胞核抗原)染色;肠细胞(红色)表达肠碱性磷酸酶;杯状细胞(蓝色)分泌黏液蛋白。插图显示小肠肠细胞和杯状细胞的高倍图像。(B) Math1, Notch信号通路的一个组成部分，影响肠上皮细胞命运的决定。在表达高水平Notch的隐窝祖干细胞中，Hes1转录因子被打开，Math1和其他“前分泌”基因的表达被阻断。结果是前体细胞变成肠细胞。在表达少量Notch的细胞中，Delta的水平较高，Hes1的产生被阻断，Math1的表达被诱导。 Production of the Math1 helix-loop-helix transcription factor allows precursor cells to make a choice: whether to become goblet cells, Paneth cells, or enteroendocrine cells (Vi, villus; Cr, crypt) (A and B from van Den Brink and colleagues68与许可)。(C) Math1是分泌细胞所必需的。表达Math1的细胞是直接来自干细胞还是中间祖细胞尚不清楚。秒,分泌素;L,胰高糖素/肽YY;CCK、缩胆囊素;SP, P物质;5 ht, 5 -羟色胺;Som,生长激素抑制素;GIP，胃抑制肽; Gas, gastrin (from Yang and colleagues67与许可)。
转录因子E2F家族调节细胞增殖，E2F4在胚胎和成年小鼠小肠和结肠隐窝增殖区域的上皮细胞中表达。敲除E2F4的小鼠不能发育肠隐窝，表现为增厚的固有层，这表明在肠隐窝增殖室的发育中需要E2F4，尽管目前对发育过程中控制E2F4的机制和途径知之甚少。70
胃上皮细胞分化的超音hedgehog途径
超音刺猬(Shh)基因编码一种形态发生信号蛋白，在胃肠道发育中起着重要的调节作用，重点是胃腺的形成。71在胃腺中，上皮细胞分化被认为是由位于中央峡部/颈部的干细胞双向分化而来，8尽管围绕这种极化细胞增殖和分化的分子事件尚不清楚。成年小鼠和人类胃上皮细胞中Shh的高水平表达使得人们提出Shh促进腺细胞分化，负调控祖细胞和腺细胞增殖。72年,73Shh靶向纯合子缺失的小鼠不能发育胃上皮细胞，显示出与上述Fox1突变小鼠惊人相似的缺陷。74这些小鼠缺乏Fox1的表达，因此Fox1被认为是Shh信号通路的下游靶点，其抑制作用被骨形态发生蛋白4 (BMP4)证实，BMP4是TGF-β超家族的成员。74通过用环巴胺阻断小鼠的Shh信号，可以显著增加胃腺细胞的增殖和Shh受体“patched”(Ptc)的表达水平，并降低Shh的三个已知转录靶标:转录因子hnf2 β (Fox2a)、BMP4和胰岛因子-1 (isl1)。72在小鼠中，Shh、Ptc、hnf4 β和BMP2在胃上皮细胞中表达72而Fox1和BMP4在肌成纤维细胞中表达，72年,74进一步证明上皮:间质相互作用调节胃肠道细胞增殖和分化。Shh对上皮细胞增殖的负调控是出乎意料的，因为Shh通常会增加细胞增殖。75然而，骨形态发生蛋白是细胞增殖的已知抑制剂，当Shh信号被环巴胺阻断时，观察到的增殖增加可能是由于BMP4的下游抑制。GATA转录因子家族在多种生物的许多内胚层结构的发育中都很重要。GATA-4对胃上皮的形态发生至关重要Gata4基因在胃腺形态发生中存在缺陷，不能形成最终分化的成人上皮性胃谱系。这些小鼠胃上皮细胞中Shh表达的增加表明GATA-4直接或间接与Shh相互作用，调节上皮细胞增殖。76
肠肿瘤中的胃肠干细胞
结直肠肿瘤的发生
胃肠道是最常发生癌变的部位之一，由于其持续的自我更新和由此产生的大量有丝分裂事件在该组织中。胃肠道上皮细胞在肠隐窝和绒毛内向上迁移，并脱落到肠腔内，因此胃肠道上皮细胞的寿命比在该细胞中基因诱导肿瘤变化所需的时间短。这意味着永久性胃肠干细胞是基因改变的靶点，与之前的研究表明肠隐窝是单克隆结构一致，由此产生的病变也可能是单克隆起源。然而，这些研究中出现了相互矛盾的数据，胃肠道肿瘤发生的途径和机制尚未得到解决。为了研究干细胞在胃肠道肿瘤中的作用，我们可以使用广泛研究的腺瘤:癌序列，通常被认为是大多数结直肠癌由初始腺瘤演变而来的途径。77的损失APC肿瘤抑制基因功能被认为是结直肠腺瘤发展过程中最早的基因改变之一。FAP患者有常染色体显性遗传种系突变APC5号染色体上的温度系数78因此，它们很容易受到剩余野生型突变的影响APC等位基因(即在“两击”肿瘤抑制基因缺失假说中)。79野生型的LOHAPC等位基因可以通过种系突变或体细胞突变发生，两者都会导致截断APC突变,80自发微腺瘤的发展，可能进一步发展为宏观腺瘤，然后是大肠癌。数百个特定的APC突变已经被描述出来，突变的位置似乎决定了FAP的严重程度和发病。46APC除了在β-连环蛋白的降解和Wnt通路下游靶基因的增殖中已确定的作用外，在有丝分裂过程中通过与微管的直接相互作用建立上皮细胞极性方面也至关重要。81并调节果蝇的不对称干细胞分裂，以维持干细胞自我更新和产生分化的子细胞之间的平衡。82因此,基因突变APC结直肠肿瘤的发展可能是由于肠干细胞分裂过程中有丝分裂纺锤体和中心体排列不整齐，导致不对称细胞分裂不平衡和细胞增殖增加。
由上而下或由下而上形成微腺瘤
目前有两种被提出的自发微腺瘤发展的形态学途径，胃肠道干细胞在其中扮演着重要的角色。在“自底向上”的理论中，位于隐窝基中的一个小生境中的干细胞获得了第二次突变APC基因，并随机扩展产生肿瘤子细胞，这些子细胞向上迁移，定植整个隐窝，形成克隆性单隐腺瘤。19这些发育不良的隐窝主要通过隐窝裂变进行复制和扩展，其中它们分叉并在隐窝基部形成芽，芽纵向上升产生突变的单克隆子隐窝。83年,84有趣的是，细胞带有单个APCFAP中非腺瘤性粘膜的突变显示裂变中隐窝的发生率大幅增加，83隐窝裂变也被认为是增生性息肉膨胀的方式，85畸形隐窝灶，被认为是结直肠腺瘤的前兆。86年,87在第二种理论中，“自上而下”假说，最初的干细胞突变发生在位于两个隐窝孔之间的上皮黏膜，即“隐窝内区”，随后的干细胞分裂产生突变克隆，该突变克隆横向向下扩展到隐窝，取代正常上皮细胞。88然而，正如所讨论的，大量证据表明胃肠道干细胞位于隐窝的底部(在Wright中进行了回顾)7)，在隐窝内区没有干细胞种群的迹象，因此提出了一种修正的自上而下假说，即隐窝基中的干细胞获得突变，随后迁移到隐窝内区，并在此基础上发生肿瘤扩展。88有可能这两种途径(“自顶向下”和“自底向上”)都发生，因为有证据表明单克隆腺瘤形态发生的两种机制。89
自顶向下假说是基于对早期非fap腺瘤的研究，畸形细胞只在结肠隐窝的孔和腔表面观察到。一半的样本显示LOHAPC此外，只有浅表细胞表现出显著的增殖活性(图7C)。观察到的β-连环蛋白的核定位证实了β-连环蛋白中一个基因功能的丧失Wnt通路,最有可能APC，而且确实是APC突变只存在于这些根尖细胞中，88与之前的形态学研究一致。90然而，在一项支持自底向上假说的研究中，小(<3 mm)管状结直肠腺瘤也显示β-catenin的核积累(图7G)，尽管观察到的β-catenin的核表达存在于延伸到隐窝基部的细胞中(图7E, F)和正在发生分裂的隐窝中，并在隐窝基部的芽核中显著表达(图7H)。靠近隐窝管腔表面，腺瘤细胞与表面细胞之间有明显的分界线(图7E, F)。邻近隐窝充满表达β-连环蛋白核的发育不良细胞，这些细胞不局限于隐窝的上部。然而，在较大的腺瘤中，有明确的证据表明细胞从两个隐窝孔之间的隐窝内区向下生长，取代了正常非发育不良隐窝内的上皮细胞(图7J)。在这些大腺瘤中，经常观察到多个不对称的裂变事件，从浅层和中隐窝萌发(图8B, C)，而在正常和未受累性粘膜中，隐窝裂变很少，通常从基底分叉开始(图8A)。85
(A)腺瘤的形态发生和干细胞所起作用的理论对比。(A)小管状腺瘤的苏木精和伊红染色切片。发育不良上皮位于隐窝内的浅表，下层上皮组织学正常。(B)发育不良上皮细胞与隐窝中点正常上皮细胞之间的突变。用分布在隐窝顶部发育不良上皮的Ki-67抗体评估增殖活性。(C)核β-连环蛋白在隐窝顶部发育不良上皮中高度表达并分布，但在隐窝基部不分布。(D)小管状腺瘤腺瘤隐窝细胞核中的β-连环蛋白。(E)在早期腺瘤中，核β-连环蛋白延伸到隐窝底部，包括隐窝的最底部。(F)出芽隐窝细胞核中的β-连环蛋白染色(A-F，来自Shih和同事88与许可)。(G)早期腺瘤隐窝之间的连接，在表面显示一个尖锐的连接，细胞核β-连环蛋白积累，在正常表面细胞中迅速让位给膜质染色。(H)高倍序列切片，显示腺瘤细胞核染色与正常表面上皮细胞膜染色之间的清晰连接。(I)隐窝之间的表面连续性显示核β-连环蛋白染色。(J)较大腺瘤的隐窝染色β-catenin显示邻近隐窝区以自上而下的方式侵入(G-J，来自Preston和同事91与许可)。
正常结肠粘膜和腺瘤的隐窝显微解剖。(A)正常结肠隐窝的对称分裂。(B)孤立的腺瘤性隐窝显示频繁的隐窝裂变，不典型和不对称的分支。(C)腺瘤的另一个隐窝，形状奇特，分枝不对称，有多个芽出(a - C，来自Preston和同事91与许可)。
在一个罕见的伴有FAP的XO/XY患者中，如前所述，小的单隐腺瘤(<2.5 mm)为单克隆，显示XO或XY基因型(图9A)。然而，76%的大于一个隐窝大小的腺瘤显示XO和XY细胞混合核型，因此是多克隆的，19在腔表面相邻腺瘤隐窝区之间有一个清晰的边界(图9B)。91根据自底向上的机制，克隆性单隐腺瘤的扩大会导致单克隆微腺瘤的形成，尽管在该患者中观察到的多克隆腺瘤可能是早期腺瘤中转化的干细胞诱导的非受累邻近隐窝的腺瘤性生长的结果，但也可能确实是转化干细胞聚集引起的真正的多克隆增殖。19后者与“场癌”假说一致，即最初的致癌刺激被认为诱导组织内多个细胞的肿瘤转化，这些细胞增殖产生多克隆肿瘤病变。92
来自XO/XY嵌合个体的腺瘤与家族性腺瘤性息肉病，用Y染色体特异性探针原位杂交染色(来自Preston和同事91与许可)。(A)克隆性单隐腺瘤。(B)多克隆腺瘤，XO和XY隐窝的混合物。注意XO腺瘤和XY腺瘤隐窝表面的明显边界，没有侵犯的证据。
对老腺瘤的研究表明，位于隐窝顶部的细胞增殖活性最高，93年,94随着隐窝碱基细胞凋亡的增加，95这表明迁移动力学是相反的，细胞向隐窝基部迁移，可能是从隐窝内区域的干细胞(即自顶向下假说)。然而，对结直肠腺瘤甲基化历史的分析表明，干细胞的结构表明一种自底向上的机制，而且，有丝分裂事件在腺瘤隐窝细胞中均匀分布，因此不表明隐窝顶部有发育不良细胞的集中。96计算机建模研究表明，FAP中隐窝内干细胞数量的增加会导致增殖隔层向隐窝顶部向上移动，97年,98以前有人认为，干细胞数量的增加可能会增加隐窝裂变的速率。99因此，腺瘤中的隐窝裂变在突变克隆的扩展中很重要。虽然这一过程的形态非常独特，但控制这一过程的分子机制还远远不清楚。我们得出结论，结直肠腺瘤发生的最初事件是单隐腺瘤，其最初生长通过隐窝裂变发生，并扩散到邻近的隐窝区域是后来的次要事件。
结论
胃肠道是一个高度分化的组织，相对于损伤或疾病对它的要求，它经历着不断的细胞周转。尽管尚未确定，但人们普遍认为上皮性胃肠干细胞位于隐窝或腺体基部的一个龛内，由邻近的间充质细胞产生和维持，间充质细胞通过旁分泌调节生长因子和细胞因子调节干细胞功能。胃肠干细胞产生胃肠粘膜的所有成体细胞系，因此被认为是胃肠功能中最重要的调节元素。尽管如此，胃肠道干细胞的数量和在每个胃腺和肠隐窝中的位置是不确定的。大量证据表明，在小鼠和人类的正常情况下，胃腺和肠隐窝都是由单个多能干细胞产生的单克隆结构，具有转分化能力，并形成包括腺体或隐窝在内的所有特化谱系。然而，在胃肠道肿瘤中，尽管大多数单隐腺瘤在其来源上表现为克隆，但较大的腺瘤和癌似乎主要是多克隆的，可能源于多个突变干细胞的增殖，或多个单克隆微腺瘤的聚集。胃肠道肿瘤的形态学途径也存在争议，关于突变克隆的扩张有两种相互矛盾的假说，即“自底向上”和“自顶向下”理论，尽管两者都一致认为胃肠道肿瘤是由单隐腺瘤的形成引发的，单隐腺瘤通过隐窝裂变分裂和扩散。调控干细胞增殖和胃肠道粘膜细胞命运和模式的分子途径正在出现，并为胃肠道肿瘤的遗传事件提供了额外的认识，因为这些途径中的基因突变经常出现在发育不良的胃肠道细胞中。随着移植的骨髓干细胞在小鼠和人类胃肠道中可转分化形成成体谱系的观察，干细胞生物学在治疗人类疾病方面的新概念出现了。移植的骨髓间充质干细胞对肠固有层和粘膜层的肌成纤维细胞、成纤维细胞和平滑肌细胞有很大贡献，结肠炎的发生率显著增加。 This propensity for regeneration of damaged tissue presents the adult BMSC as a therapeutic tool in the treatment of human disease, such as inflammatory bowel disease. It is important to decipher the mechanisms of this observed adult stem cell plasticity—that is, the ongoing debate of “transdifferentiation versus spontaneous fusion”—and the propensity for these bone marrow derived cells to clonally expand and possibly contribute to gastrointestinal stem cell populations.