再生医学更进一步！华大参与发布蝾螈肢体再生分子图谱
器官原位再生的研究对临床医学应用具有重大意义，是再生医学研究亟待突破的重点。墨西哥钝口螈（Ambystoma mexicanum）拥有强大的再生能力，相对于哺乳动物非常有限的再生能力，是理想的再生研究模式物种。随着单细胞转录组测序技术（scRNA-seq）的快速发展，可以实现在单个细胞水平对复杂生物学现象进行解析，有望对墨西哥钝口螈的再生机制进行深入研究。
2020年8月3日，来自深圳华大生命科学研究院、青岛华大基因研究院、中国科学院大学华大基因教育中心、中科院生物物理研究所等多家机构的研究人员在Protein&Cell杂志发表了其最新研究成果，运用单细胞转录组测序（scRNA-seq）技术分析了墨西哥钝口螈肢体再生全过程的细胞动态变化过程和分子调控特征，为解析多组织结构的再生机制提供了有力参考。此前已有研究的单细胞转录组图谱仅适用于某些细胞类型或某些再生阶段，本次研究突破性地对再生过程中所有细胞类型进行了完整的概述。
研究团队选取了涵盖蝾螈断肢再生的完整生理过程的8个代表性时间点，包括静息阶段(未受伤对照组，0小时)和7个再生阶段(3 h - 33 d)，对蝾螈断肢再生组织取样，并进行单细胞测序。
图1 实验流程示意图
图2 8个时期的蝾螈断肢再生细胞聚类及鉴定
本次研究总共获得了超过41,000个细胞的高质量单细胞转录组数据，在将所有细胞聚类并以流形近似和投影(UMAP)进行降维后，鉴定出了12种表达特定标记的芽基细胞类型，这些细胞类型通过基因差异表达分析（DEGs）得到进一步证实。同时，研究中鉴定出的Prdx2+芽基细胞，在再生过程的细胞动态变化中表现活跃，印证了前期研究。
图3 再生过程中，上皮和间质细胞的数量和特性随时间存在动态变化
关键发现一：上皮细胞和间充质细胞随再生过程呈现出细胞状态的高度转化。在再生早期，上皮细胞类群的数量下降，基因表达谱也显示上皮细胞向间充质细胞转化（EMT）的趋势；而再生后期则相反，呈现间充质向上皮细胞转化（MET）的趋势。研究人员猜想这一涉及多种细胞类群的EMT-MET转化过程，可能是促进蝾螈断肢完全再生的机制之一。
图4 蝾螈再生与小鼠伤癒过程对比，细胞纤维化及细胞衰老相关基因的表达存在明显差异
关键发现二：通过比较蝾螈肢体再生与小鼠伤癒过程，研究人员发现影响疤痕愈合结果的细胞纤维化调控和免疫微环境调控在两种生物中差异极大。其中，蝾螈肢体再生过程的细胞衰老及纤维化水平较低，相关基因表达水平仅于再生中期在个别细胞类型中短暂上调。但是在小鼠伤癒模型中，与细胞衰老及纤维化相关的基因在大多数细胞中均持续高表达。
图5 蝾螈再生与小鼠伤癒过程对比，巨噬细胞的特性及富集机制存在明显差异
关键发现三：研究者在蝾螈再生过程中观察到一群特殊的巨噬细胞类群，根据其基因表达特征初步判定为一类抗炎/促溶解型的巨噬细胞。这群巨噬细胞出现在蝾螈肢体再生早期并持续存在于再生重塑的关键时期，其作用可能是拮抗促炎症型巨噬细胞并抑制炎症反应；有趣的是，在小鼠伤癒的前中期并未检测到这类具有相应表达特征的抗炎/促溶解型巨噬细胞，相反促炎症型的巨噬细胞则于伤癒早期即在伤口处开始富集。综上，蝾螈再生过程中独特的纤维化调控特征，以及由抗炎型巨噬细胞构成的特异性免疫微环境，很有可能是蝾螈无疤痕的结构重建型再生的关键。
该研究覆盖了从起始阶段到完全恢复阶段的完整再生过程，从单细胞的角度解析了蝾螈断肢再生的细胞和分子机制，为高度动态的细胞重编程和微环境提供了全面的数据，为多组织结构如何以时空方式再生提供了线索和论点，为后续工作打开了视野，并为建立完善的哺乳动物再生模型及揭示高等动物组织再生规律，提供了理论基础和指导方向。
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数据存储：
支持该项研究的数据已保存在国家基因库生命大数据平台（CNGBdb），项目编号：CNP0000706
参考文献：
Li H, Wei X, Zhou L, et al. Dynamic cell transition and immune response landscapes of axolotl limb regeneration revealed by single-cell analysis [published online ahead of print, 2020 Aug 3]. Protein Cell. 2020;10.1007/s13238-020-00763-1.
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