Nature Genetics背靠背成果！Stereo-seq和DNBelab C系列单细胞平台助力绘制肝脏时空图谱

在过度熬夜、吸烟喝酒、高糖高盐饮食等不良习惯日渐常态化的现代生活中，肝脏疾病也呈现出日益严峻的态势。

作为人体的“化工厂”，肝脏除了解毒功能外，还具备代谢、合成、消化、免疫等多种功能，并且，其功能分布就像公司里的各个职能部门，坐落在不同的空间位置上负责着不同的任务。也因此，肝病的发展往往表现出空间异质性，肝脏损伤后的再生模式也与其空间位置高度相关。在空间维度上解析控制肝细胞损伤与再生的机制，对于阐明肝脏疾病恶性转化和再生医学具有重要意义。

2024年4月16日，杭州华大生命科学研究院与中国科学院分子细胞科学卓越创新中心主导，联合吉林大学、广州医科大学第五附属医院、山西医科大学、上海科技大学等国内外机构，在国际期刊《自然·遗传学》（Nature Genetics）背靠背发表了两篇研究成果。

研究利用华大自研高精度大视场时空组学技术Stereo-seq和DNBelab C系列单细胞转录组测序技术，构建了全面的小鼠肝脏高精度时空图谱，分别揭示了小鼠肝脏稳态的空间分子特征，以及肝部分切除、胆汁淤积损伤与修复过程中的复杂分子机制。两项研究从不同角度解析了肝脏损伤与再生复杂机制，有望为肝脏疾病治疗、肝脏再生与移植提供新的思路和策略。

01

描绘肝脏稳态和切除再生时空图谱

肝小叶是哺乳动物肝脏结构和功能的基本单元，成人肝脏由50万到100万个肝小叶组成。在每个肝小叶中，血液从门脉区流向中央静脉区，其营养物质、激素、细胞、生长因子等呈现梯度变化，导致肝小叶不同空间位置上的细胞具有不同的生物学功能。

图1 肝脏结构示意图

血液从门静脉和肝动脉进入肝脏，通过肝小叶流向中央静脉

在空间原位解析方面，时空组学技术Stereo-seq同时具备高分辨率、大捕获视场以及高捕获效率等独特优势，能够在解析肝脏空间微结构方面发挥重要作用。该技术此前已成功应用于解析小鼠器官生成、肿瘤侵袭边界区域的细胞异质性和食蟹猴全脑皮层等研究。

基于Stereo-seq技术，由杭州华大生命科学研究院主导，联合吉林大学、中国科学院分子细胞科学卓越创新中心、广州医科大学第五附属医院、山西医科大学、IRCCS-Istituto Tumori、汉诺威医学院等机构，探索了肝脏稳态和肝部分切除再生的机制。

首先，研究团队对正常的肝脏和70%切除之后的肝脏开展研究，以纳米级别的空间分辨率构建了连续的肝小叶网络，揭示了小鼠稳态肝脏中的细胞类型、基因表达和微环境信号的空间特征，以及部分肝切除后对应的时空动态变化如何协调准确的肝再生。

研究团队在门静脉-中央静脉轴上解析了不同位置肝细胞的基因功能分布特征，并识别出一系列具有区域化分布的基因，例如，甲状腺激素受体在中间区域高表达，乙肝病毒受体在中央静脉附近高表达，肝细胞增殖抑制因子在两端高表达。这一发现将帮助研究者更好地认识肝脏疾病的空间易感性差异。

此外，研究团队首次发现肝脏中存在约50-200微米的免疫微结构，对其进行了定位并解析了其中的免疫细胞组成，发现主要由T细胞和单核细胞组成。研究团队推测其可能是肝脏免疫响应的特殊机制，可协助肝脏抵御外源细菌或抗原。这一发现丰富了对肝脏免疫微环境的认识。

通过对70%切除后的肝脏再生过程进行分析，研究团队发现并验证了一系列参与肝脏分区维持的关键转录因子，并阐明了肝再生过程中代谢及细胞间调控网络在空间上的协调机制。

文章共同通讯作者、杭州华大生命科学研究院赖毅维表示：“本次研究充分结合了分子细胞卓越中心在肝脏再生领域的前期研究积累，以及华大在时空组学等前沿技术方面的优势，为正确理解肝脏稳态和再生提供了丰富的数据资源，也为未来进一步探究哺乳动物肝脏生理和功能障碍研究奠定了重要基础。”

02

描绘胆汁淤积与再生时空转录图

胆汁淤积是由于胆汁分泌及排泄障碍引起的，严重时可能导致胆囊炎、肝硬化、肝衰竭等系列疾病的发生。此前研究发现，胆汁性淤积损伤后，门静脉区肝细胞会重编程为肝祖样细胞（LPLC），贡献肝脏再生。随着损伤结束后，肝脏修复起始，肝细胞大量增殖，这一现象主要发生在中央静脉区，但控制这种增殖的机制尚不明确^[1]。

中国科学院分子细胞科学卓越创新中心惠利健研究组联合杭州华大生命科学研究院，以细胞水平的空间分辨率构建了小鼠胆汁淤积损伤与再生的时空转录组图谱，揭示了该过程中的损伤响应和微环境信号的时空动态变化特征。

研究团队采用药物诱导小鼠肝脏损伤，模拟人类胆汁性淤积损伤的病症，其区域特异性主要表现为门静脉周围发生损伤，而中央静脉附近没有出现损伤。通过对门静脉区区域的空间互作进行分析，研究团队发现胆管细胞在胆汁淤积损伤下充当信号枢纽，参与整合门静脉区微环境中的细胞互作，与该区域免疫细胞重塑和肝细胞重编程高度相关。

借助华大时空组学技术，研究团队揭示了肝细胞重编过程中肝祖样细胞（LPLC）的两种亚型，其中LPLC2在向胆管分化的轨迹上更为接近胆管区域。此外，研究发现了能够限制肝细胞增殖的重要因子，为解析肝脏区域性损伤以及胆管相关疾病的治疗提供了新的视角和可能的新靶点。

图2 胆汁淤积损伤与再生单细胞及时空图谱

本次研究构建了胆汁淤积损伤与再生的时空转录组图谱，强调了胆管介导的信号在整个过程中的核心作用。研究发现不仅为理解区域性肝损伤提供了宝贵的数据资源，也为促进胆汁淤积下的肝细胞再生提供了潜在的干预策略。

“两项研究分别采用部分肝切除和药物诱导的肝脏损伤方式开展，研究发现互为补充，在不同的层面回答了肝脏损伤再生的问题，共同构建了一个全面的肝脏参考图谱。”中国科学院分子细胞科学卓越创新中心惠利健表示，“这些成果后续可用于发现区域性肝脏损伤再生中的潜在机制和靶点，也为研究其它具有异质性分布的组织在损伤与再生过程中的复杂机制提供了新的研究范式。”

许江山、郭鹏程、郝世杰、上官顺成、石泉和Giacomo Volpe为肝脏稳态-肝切除-再生时空图谱论文共同第一作者，Miguel A. Esteban、赖毅维、陈奥、刘龙奇、徐讯和郭鹏程为该研究的共同通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金（集成项目）、科技部等项目资助，以及深圳国家基因库的帮助与支持。所有相关数据可通过在线交互式数据库查询和下载（LISTA: https://db.cngb.org/stomics/lista/）。

吴柏华、申屠忻怡、南海涛、郭鹏程和郝世杰为胆汁淤积损伤与再生时空图谱论文共同第一作者，惠利健、Miguel A. Esteban、刘龙奇和赖毅维为该研究的共同通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金（集成项目）、科技部、上海市科委等的项目资助，以及深圳国家基因库的帮助与支持。所有相关数据可通过在线交互式数据库查询和下载（CIRSTA: https://db.cngb.org/stomics/cirsta/）。

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参考文献：

[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.

*文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41588-024-01687-w

https://www.nature.com/articles/s41588-024-01709-7

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