深扒吸烟如何重建呼吸道上皮组织，Nature子刊单细胞水平揭示呼吸道上皮组织细胞异质性

「吸烟有害健康」可能是一句人尽皆知的话，但落实到每个人的行为上时却不尽相同。吸烟者的关注点更多地会落在「减压」二字，而且美其名曰：「饭后一支烟，快乐似神仙」。这些自我安慰的话语最终会为自己的健康带来更大的隐患。

尽管我们都知道吸烟是有害的，但是它对呼吸道的各种细胞具有哪些影响？吸烟是否会改变呼吸道上皮组织的细胞组成？这些问题目前仍未有明确答案。

2020 年 5 月 18 日，来自美国 National Jewish Health 等单位的科学家们在 Nature communications 发表题为 Dissecting the cellular specificity of smoking effects and reconstructing lineages in the human airway epithelium 的研究性论文。该研究在单细胞层面解析了人呼吸道上皮组织的细胞异质性，并比较分析了吸烟对各个细胞组成及其内在功能的影响。

图片来源：Nature Communications

背景介绍

人体呼吸道上皮是一种复杂的、由多种细胞类型组成的组织，其具有促进气体运输，屏障功能，粘膜纤毛清除和调节肺部免疫应答等功能，因此在呼吸系统中具有至关重要的作用。前期的研究表明，这些功能是通过纤毛细胞，粘液分泌细胞和基底干细胞等不同细胞类型之间的相互作用实现的，尽管如此，它们的转录调控以及它们所导致的功能异质性仍然是未知的。

呼吸道上皮的基因表达分析和组织学研究表明，大多数慢性肺部疾病，包括哮喘和慢性阻塞性肺病等，能够引起上皮中细胞组成发生变化，进而引起相应的分子功能障碍。

而在所有引起肺部疾病的暴露因素中，香烟烟雾是最有害的，并且可以作为慢性阻塞性肺疾病的主要驱动力和哮喘加重的常见诱因。传统转录组分析研究发现吸烟能够显著改变基因表达模式，但是这些研究的对象是包括上皮的所有细胞类型，因此无法使用这种类型的表达数据确定由烟暴露引起的精确的细胞和分子变化。

主要内容

首先，为了确定上皮组织的细胞异质性，研究人员对来自 15 名捐献者的气管样本溶解后进行单细胞转录组测序，其中包括 6 名吸烟量较高和 6 名从未吸烟的人员。该研究共获得 36,248 个细胞的转录组数据进行后续分析，研究人员根据各个细胞群体的特征，将所有细胞分为 10 个细胞群体，并通过免疫荧光的方法对其中的细胞进行了验证。

图片来源：Nature Communications

在确定了细胞的异质性之后，研究人员首先在整体层面评价了吸烟对呼吸道上皮的影响，发现炎症信号通路、鳞状上皮化生相关基因、糖酵解等在吸烟组明显上调，而先天免疫、抗原递呈却表现出下调。

紧接着，他们具体到每个细胞亚群层面进行分析，发现其中 4 个细胞群体未发生明显变化，而 SMG、粘液分泌细胞和蛋白酶体基底细胞在吸烟组比例上调，而纤毛细胞却在吸烟组明显下降。这些数据证实吸烟可通过改变具体的细胞类型而影响上皮组织的功能。

图片来源：Nature Communications 

目前，关于人类分泌细胞发育的调控机制还知之甚少，为了探究上皮组织中粘液分泌细胞类型的分化发育及内在调控机制，研究人员将粘液分泌相关细胞群体单独分离出来进行假时序分析。他们发现这些细胞类型可以形成一个连续的发育过程，并且根据这一过程中显著变化的基因，他们发现细胞在具备粘液分泌功能之前，首先会经历细胞周期、蛋白质转录、ATP 合成等准备工作，紧接着会发生 NOTCH\WNT 信号通路介导的命运转换。同时，他们也鉴定出了不同发育阶段的关键转录因子，这些转录因子可能是上皮细胞能够成功发挥分泌功能的内在调控机制。

图片来源：Nature Communications 

随后，他们又比较了表面分泌细胞和粘膜下腺体分泌细胞的差异，结果表明粘膜下腺体分泌细胞能够形成一种独特的分泌蛋白，该蛋白具有很强的先天免疫功能，而在表面分泌细胞中，参与内质网蛋白加工和粘蛋白糖基化的基因显著上调。另外，MUC5AC 和 MUC5B 的表达在两种细胞类型中具有显著差异。

图片来源：Nature Communications 

由于纤毛相关细胞比例在吸烟组显著下调，因此研究人员详细比较分析了该细胞亚群中内在的分子变化。结果表明，在吸烟组成熟纤毛细胞中显著上调的通路包括：凋亡调节、NOTCH 通路、氧化应激反应等；而电子传递链、溶酶体等相关基因在混合纤毛细胞中表达下降。

图片来源：Nature Communications 

最后，研究人员综合各个细胞亚群的分子特征，并分析比较了各细胞亚群之间的相关关系以及每个细胞亚群中吸烟组和从未吸烟组的差异，构建了如下分子调控网络图。总体来说，他们发现在呼吸道上皮组织中，不同细胞之间是可以相互影响的，有些细胞类型虽然占比较少，但仍然通过调节占比较多细胞类型来发挥重要的作用；另外，在吸烟组，糖酵解、胆固醇合成通路、先天免疫等通路表现为上调，而呼吸电子传递、氧化磷酸化、细胞分裂、抗原递呈等通路却表现为下调。

图片来源：Nature Communications 

综上所述，在这项研究中，研究人员首次构建了人体气管上皮组织的细胞图谱，鉴定识别了各种细胞类型以及他们之间的谱系关系，并分析比较了吸烟者和非吸烟者各个细胞亚群的整体变化及内在分子差异。总体而言，吸烟可以影响上皮组织的细胞多样性及功能多样性，吸烟者的粘液分泌、蛋白酶解等功能应激性上调，而正常的防御、修复功能却受到影响。

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参考文献

1. Goldfarbmuren et al. Dissecting the cellular specificity of smoking effects and reconstructing lineages in the human airway epithelium. Nature communications (2020).

2. Hong, K. U., et al. Basal cells are a multipotent progenitor capable of renewing the bronchial epithelium. Am. J. Pathol. 164, 577–588 (2004).

3. Rock, J. R. et al. Basal cells as stem cells of the mouse trachea and human airway epithelium. PNAS 106, 12771–12775 (2009).

4.  WHO. Who Report on the Global Tobacco Epidemic (WHO, 2017).

5. Rock, J. R. et al. Notch-dependent differentiation of adult airway basal stem cells. Cell Stem Cell 8, 639–648 (2011).

6. Montoro, D. T. et al. A revised airway epithelial hierarchy includes cftrexpressing ionocytes. Nature 560, 319–324 (2018)

题图来源：站酷海洛 plus

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