在過度熬夜、吸煙喝酒、高糖高鹽飲食等不良習(xí)慣日漸常態(tài)化的現(xiàn)代生活中，肝臟疾病也呈現(xiàn)出日益嚴(yán)峻的態(tài)勢。
作為人體的“化工廠”，肝臟除了解毒功能外，還具備代謝、合成、消化、免疫等多種功能，并且，其功能分布就像公司里的各個(gè)職能部門，坐落在不同的空間位置上負(fù)責(zé)著不同的任務(wù)。也因此，肝病的發(fā)展往往表現(xiàn)出空間異質(zhì)性，肝臟損傷后的再生模式也與其空間位置高度相關(guān)。在空間維度上解析控制肝細(xì)胞損傷與再生的機(jī)制，對(duì)于闡明肝臟疾病惡性轉(zhuǎn)化和再生醫(yī)學(xué)具有重要意義。
近日，中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、杭州華大生命科學(xué)研究院、吉林大學(xué)、廣州醫(yī)科大學(xué)第五附屬醫(yī)院、山西醫(yī)科大學(xué)、上?？萍即髮W(xué)等國內(nèi)外機(jī)構(gòu)，在國際期刊《自然·遺傳學(xué)》（Nature Genetics）背靠背發(fā)表了兩篇研究成果。
研究基于華大智造DNBelab C系列單細(xì)胞建庫平臺(tái)、DNBSEQ測序平臺(tái)和華大時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，構(gòu)建了全面的小鼠肝臟高精度時(shí)空?qǐng)D譜，分別揭示了小鼠肝臟穩(wěn)態(tài)的空間分子特征，以及肝部分切除、膽汁淤積損傷與修復(fù)過程中的復(fù)雜分子機(jī)制。兩項(xiàng)研究從不同角度解析了肝臟損傷與再生復(fù)雜機(jī)制，有望為肝臟疾病治療、肝臟再生與移植提供新的思路和策略。
描繪肝臟穩(wěn)態(tài)和切除再生時(shí)空?qǐng)D譜
肝小葉是哺乳動(dòng)物肝臟結(jié)構(gòu)和功能的基本單元，成人肝臟由50萬到100萬個(gè)肝小葉組成。在每個(gè)肝小葉中，血液從門脈區(qū)流向中央靜脈區(qū)，其營養(yǎng)物質(zhì)、激素、細(xì)胞/生長因子等呈現(xiàn)梯度變化，導(dǎo)致肝小葉不同空間位置上的細(xì)胞具有不同的生物學(xué)功能。
肝臟結(jié)構(gòu)示意圖，血液從門靜脈和肝動(dòng)脈進(jìn)入肝臟，通過肝小葉流向中央靜脈
在空間原位解析方面，時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq同時(shí)具備高分辨率、大捕獲視場以及高捕獲效率等獨(dú)特優(yōu)勢，能夠在解析肝臟空間微結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮重要作用。該技術(shù)此前已成功應(yīng)用于解析小鼠器官生成、腫瘤侵襲邊界區(qū)域的細(xì)胞異質(zhì)性和食蟹猴全腦皮層等研究。
基于Stereo-seq技術(shù)，由中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、杭州華大生命科學(xué)研究院、吉林大學(xué)、廣州醫(yī)科大學(xué)第五附屬醫(yī)院、山西醫(yī)科大學(xué)、IRCCS-Istituto Tumori、漢諾威醫(yī)學(xué)院等機(jī)構(gòu)，探索了肝臟穩(wěn)態(tài)和肝部分切除再生的機(jī)制。
首先，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)正常的肝臟和70%切除之后的肝臟開展研究，以納米級(jí)別的空間分辨率構(gòu)建了連續(xù)的肝小葉網(wǎng)絡(luò)，揭示了小鼠穩(wěn)態(tài)肝臟中的細(xì)胞類型、基因表達(dá)和微環(huán)境信號(hào)的空間特征，以及部分肝切除后對(duì)應(yīng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化如何協(xié)調(diào)準(zhǔn)確的肝再生。
研究團(tuán)隊(duì)在門靜脈-中央靜脈軸上解析了不同類型肝細(xì)胞的基因功能分布特征，并識(shí)別出一系列具有區(qū)域化分布的基因，例如，甲狀腺激素受體在中間區(qū)域高表達(dá)，乙肝病毒受體在中央靜脈附近高表達(dá)，肝細(xì)胞增殖抑制因子在兩端高表達(dá)。這一發(fā)現(xiàn)將幫助研究者更好地認(rèn)識(shí)肝臟疾病的空間易感性差異。
此外，研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)肝臟中存在約50-200微米的免疫微結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行了定位并解析了其中的免疫細(xì)胞組成，發(fā)現(xiàn)主要由T細(xì)胞和單核細(xì)胞組成。研究團(tuán)隊(duì)推測其可能是肝臟免疫響應(yīng)的特殊機(jī)制，可協(xié)助肝臟抵御外源細(xì)菌或抗原。這一發(fā)現(xiàn)豐富了對(duì)肝臟免疫微環(huán)境的認(rèn)識(shí)。
通過對(duì)70%切除后的肝臟再生過程進(jìn)行分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了一系列參與肝臟分區(qū)維持的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，并闡明了肝再生過程中代謝及細(xì)胞間調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在空間上的協(xié)調(diào)機(jī)制。
文章共同通訊作者、杭州華大生命科學(xué)研究院賴毅維表示：“本次研究充分結(jié)合了分子細(xì)胞卓越中心在肝臟再生領(lǐng)域的前期研究積累，以及華大在時(shí)空組學(xué)等前沿技術(shù)方面的優(yōu)勢，為正確理解肝臟穩(wěn)態(tài)和再生提供了豐富的數(shù)據(jù)資源，也為未來進(jìn)一步探究哺乳動(dòng)物肝臟生理和功能障礙研究奠定了重要基礎(chǔ)?！?/span>
描繪膽汁淤積與再生時(shí)空轉(zhuǎn)錄圖譜
膽汁淤積是由于膽汁分泌及排泄障礙引起的，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致膽囊炎、肝硬化、肝衰竭等系列疾病的發(fā)生。此前研究發(fā)現(xiàn)，膽汁性淤積損傷后，門靜脈區(qū)肝細(xì)胞會(huì)重編程為肝祖樣細(xì)胞（LPLC），貢獻(xiàn)肝臟再生。隨著損傷結(jié)束后，肝臟修復(fù)起始，肝細(xì)胞大量增殖，這一現(xiàn)象主要發(fā)生在中央靜脈區(qū)，但控制這種增殖的機(jī)制尚不明確[1]。
中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心惠利健研究組聯(lián)合杭州華大生命科學(xué)研究院，以細(xì)胞水平的空間分辨率構(gòu)建了小鼠膽汁淤積損傷與再生的時(shí)空轉(zhuǎn)錄組圖譜，揭示了該過程中的損傷響應(yīng)和微環(huán)境信號(hào)的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征。
研究團(tuán)隊(duì)采用藥物誘導(dǎo)小鼠肝臟損傷，模擬人類膽汁性淤積損傷的病癥，其區(qū)域特異性主要表現(xiàn)為門靜脈周圍發(fā)生損傷，而中央靜脈附近沒有出現(xiàn)損傷。通過對(duì)門靜脈區(qū)區(qū)域的空間互作進(jìn)行分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)膽管細(xì)胞在膽汁淤積損傷下充當(dāng)信號(hào)樞紐，參與整合門靜脈區(qū)微環(huán)境中的細(xì)胞互作，與該區(qū)域免疫細(xì)胞重塑和肝細(xì)胞重編程高度相關(guān)。
借助華大時(shí)空組學(xué)技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)揭示了肝細(xì)胞重編過程中肝祖樣細(xì)胞(LPLC)的兩種亞型，其中LPLC2在向膽管分化的軌跡上更為接近膽管區(qū)域。此外，研究發(fā)現(xiàn)了能夠限制肝細(xì)胞增殖的重要因子，為解析肝臟區(qū)域性損傷以及膽管相關(guān)疾病的治療提供了新的視角和可能的新靶點(diǎn)。
膽汁淤積損傷與再生時(shí)空?qǐng)D譜
本次研究構(gòu)建了膽汁淤積損傷與再生的時(shí)空轉(zhuǎn)錄組圖譜，強(qiáng)調(diào)了膽管介導(dǎo)的信號(hào)在整個(gè)過程中的核心作用。研究發(fā)現(xiàn)不僅為理解區(qū)域性肝損傷提供了寶貴的數(shù)據(jù)資源，也為促進(jìn)膽汁淤積下的肝細(xì)胞再生提供了潛在的干預(yù)策略。
“兩項(xiàng)研究分別采用部分肝切除和藥物誘導(dǎo)的肝臟損傷方式開展，研究發(fā)現(xiàn)互為補(bǔ)充，在不同的層面回答了肝臟損傷再生的問題，共同構(gòu)建了一個(gè)全面的肝臟參考圖譜?！敝袊茖W(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心惠利健表示，“這些成果后續(xù)可用于發(fā)現(xiàn)區(qū)域性肝臟損傷再生中的潛在機(jī)制和靶點(diǎn)，也為研究其它具有異質(zhì)性分布的組織在損傷與再生過程中的復(fù)雜機(jī)制提供了新的研究范式。”
許江山、郭鵬程、郝世杰、上官順成、石泉和Giacomo Volpe為肝臟穩(wěn)態(tài)-肝切除-再生時(shí)空?qǐng)D譜論文共同第一作者，Miguel A. Esteban、賴毅維、陳奧、劉龍奇、徐訊和郭鵬程為該研究的共同通訊作者。該項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金（集成項(xiàng)目）、科技部等項(xiàng)目資助，以及深圳國家基因庫的幫助與支持。所有相關(guān)數(shù)據(jù)可通過在線交互式數(shù)據(jù)庫查詢和下載（LISTA: https://db.cngb.org/stomics/lista/）。
吳柏華、申屠忻怡、南海濤、郭鵬程和郝世杰為膽汁淤積損傷與再生時(shí)空?qǐng)D譜論文共同第一作者，惠利健、Miguel A. Esteban、劉龍奇和賴毅維為該研究的共同通訊作者。該項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金（集成項(xiàng)目）、科技部、上海市科委等的項(xiàng)目資助，以及深圳國家基因庫的幫助與支持。所有相關(guān)數(shù)據(jù)可通過在線交互式數(shù)據(jù)庫查詢和下載（CIRSTA: https://db.cngb.org/stomics/cirsta/）。
參考文獻(xiàn)：
[1] Planas-Paz, L., et al., YAP, but Not RSPO-LGR4/5, Signaling in Biliary Epithelial Cells Promotes a Ductular Reaction in Response to Liver Injury. Cell Stem Cell, 2019. 25(1): p. 39-53 e10.
*本文轉(zhuǎn)載自華大集團(tuán)BGI公眾號(hào)
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