9篇综述+研究，涵盖肝发育、生理和疾病 | 时空简讯18期

时空简讯第18期。

肝脏，人体最大的实质性器官，也是最大的消化器官，功能十分强大和多元。它参与新陈代谢，生物转化、代谢合成，解毒，合成、分泌胆汁，造血及免疫功能等，还具有自我修复和再生功能，是维持生命活动的必不可少的重要器官。本期遴选了2篇综述、7篇研究文章，涵盖单细胞和空间转录组在肝脏发育、结构、再生、疾病等方面的研究应用，供参考。

综述

Review

单细胞和空间转录组在肝生理和疾病生物学的应用

Journal of Hepatology [IF: 25.083]

① scRNA-seq和空间转录组学是革命性的技术，如何将它们与临床治疗结合是目前的主要挑战，综述它们在肝脏组织、再生以及慢性肝病和癌症中的细胞之间相互作用方面的应用和发现，以期有所启示。

② 总结了scRNA-seq的技术和原理，提出多种scRNA-seq技术的结合（例如基于微滴的系统和Smart-Seq2）可以产生协同作用，增加捕获罕见细胞类型和低丰度转录本的可能性，给出应根据生物学、研究设计和所需的终点为指导来选择合适平台和技术的建议。

③ 回顾了scRNA-seq（或结合单分子RNA荧光原位杂交，smRNA-FISH）在肝脏生理研究中的重要应用，如鉴定了肝脏中肝细胞和肝窦内皮细胞（LSECs）的分区，肝脏发育和再生过程中的祖细胞。

④ 疾病病理方面，列举了scRNA-seq在慢性肝病和癌症微环境研究中的重要成果：表征了慢性肝病和肝硬化中非实质细胞的表型和相互作用，阐明了癌上皮细胞和肿瘤微环境之间的相互作用，揭示肝癌内肿瘤微环境及其异质性，如发现Notch信号通路是参与人肝纤维化生态位中细胞相互作用的中心途径等。

⑤ scRNA-seq和空间转录组技术有助于识别肝胆癌新的治疗靶点，并可用于开发更精细的肿瘤分类，以更准确地定制患者的个性化治疗。（TransF/zrz）

原位空间转录组研究示意图

Single-cell genomics and spatial transcriptomics: Discovery of novel cell states and cellular interactions in liver physiology and disease biology.

2020.06.10, DOI: 10.1016/j.jhep.2020.06.004.

综述；疾病病理；人，小鼠，肝脏，肝病，肝癌，微环境，scRNA-seq, smRNA-FISH, 空间转录组；Antonio Saviano, Neil C. Henderson, Thomas F. Baumert; Institut de Recherche sur les Maladies Virales et Hépatiques, Hôpitaux Universitaires de Strasbourg, Institut Universitaire de France, University of Edinburgh, France.

肝脏的免疫生态

Clinical Science [IF: 6.124]

① 总结了基于酶或洗涤剂的组织单细胞分离和表征的技术[scRNA-seq、snRNA-seq、scATAC-seq、多模态技术（multimodal technologies）、流式细胞术和质量细胞术]，以及组织原位分析技术（免疫组化、单分子原位杂交、激光捕获显微切割、空间转录组和成像质谱流式细胞术），以及活体成像技术，及它们在肝脏及其免疫生态位研究中的进展和潜在应用。

② 讨论了肝实质细胞的代谢亚群特异化、肝免疫细胞的起源，以及对于转录异质性的影响，确认免疫细胞塑造了肝脏内实质细胞的功能和转录异质性，指出清晰认识健康和疾病肝脏中免疫细胞的特性、功能和分区是理解肝脏复杂性的关键。

③ 分析了维持健康肝脏耐受性的免疫生态，明确维持肝脏稳态的耐受环境是实质和非实质肝驻留细胞之间复杂的相互作用网络的结果。

④ 细胞因子、趋化因子和蛋白质平衡被打破的情况下，肝脏免疫微环境会发生巨大变化，如分泌的细胞因子和免疫细胞呈现更促炎的表型，以利于清除病原体或毒素。

⑤ 阐明应用单细胞技术研究肝脏的两大挑战：a. 细胞标记物捕获效率有限，可能遗漏低丰度/低频表达基因；b. 对高度异质性样本的样本类型，需要的组织/生物样本过大。（吕睿）

稳态下肝脏免疫生态示意图

The immune niche of the liver.

2021.10.29, DOI: 10.1042/CS20190654.

综述；生命结构；肝脏，生理学，免疫学，多模态技术，scRNA-seq，空间转录；Michael L. Cheng, Diana Nakib, Catia T. Perciani, Sonya A. MacParland; University Health Network, University of Toronto; Canada.

生命发育与结构

Life Development and Structure

单细胞转录组揭示肝实质及非肝实质细胞的早期细胞谱系

Cell [IF: 41.581]

① 使用scRNA-seq分析了从胚胎E（embryonic day）7.5（内胚层祖细胞生成时）到E10.5（肝实质细胞和非实质细胞谱系出现时）4个发育期45,334个单细胞转录组（富含E7.5内胚层、E8.75内胚层肠管、E9.5肝芽和E10.5肝），绘制了从内胚层和中胚层到原始血窦组织的肝细胞谱系的发育图谱。

② 分析从E7.5到E10.5的2,066个内皮细胞和血管母细胞转录组，表征了血管和血窦内皮细胞（hepatic sinusoidal endothelial cells，HSEC）的差异（包括E8.75的HSEC的特征转录谱），例如血管内皮簇富含与剪切应激和血管生成相关的机械敏感离子通道和转录因子，如Piezo1/2、Klf2/4、Foxc2 和Tbx1，而早期的HSEC表达与血窦相关的转录因子，如Sox17、Tfec、Maf 和Dab2。

③ 3,691个E8.75、E9.5和E10.5的肝间质细胞转录组分析，鉴定了两种不同的间皮细胞（间皮I来自E9.5和E10.5，间皮 II主要来自E10.5）以及早期肝星状细胞（hepatic stellate cells，HSCs；主要来自E9.5和E10.5），并揭示了这些细胞群的不同时空分布。

④ 2,332个从E7.5到E10.5的肝祖细胞转录组分析，鉴定了成肝细胞特异性和迁移的转录谱，包括肝间质细胞类型的出现和肝母细胞集体迁移的证据。

⑤ 应用CellPhoneDB识别内皮细胞、HSEC、成肝细胞、星状细胞和肝间充质细胞等群体之间的信号串扰，确定了原始窦的组织中细胞间的相互作用。（zrz）

研究设计及主要发现

Single-cell transcriptomics reveals early emergence of liver parenchymal and non-parenchymal cell lineages.

2020.10.29, DOI: 10.1016/j.cell.2020.09.012.

研究文章；生命发育；小鼠，胚胎，肝脏，发育，肺实质细胞系，scRNA-seq; Jeremy Lotto, Pamela A. Hoodless; Terry Fox Laboratory, BC Cancer, University of British Columbia; Canada.

具有肝再生能力的肝胆杂合祖细胞（HHyP）

Nature Communications [IF: 14.919]

① 利用scRNA-seq从胎儿和成人肝脏中获得1,224个单细胞转录组，从胎肝中发现了一种可以再生肝脏组织的细胞——肝胆杂合祖细胞（hepatobiliary hybrid progenitor，HHyP）群，有望用于治疗肝功能衰竭。

② 从新鲜的、未损伤的人类胎儿和成人肝脏组织中FACS分离了EpCAM⁺（胆道细胞）和EpCAM⁻/ASGPR1⁺（成熟肝细胞），捕获到同时表达胆道和肝脏标记物的HHyP群，该群具有与胎儿肝细胞、成熟肝细胞和成熟胆管上皮细胞（bile duct epithelial cells，BECs）不同的转录谱，但与慢性肝损伤后小鼠中发现的混合祖细胞相似。

③ 使用RNA原位杂交（RNA-ish），发现在妊娠中期的胎肝中，HHyP标记物(HDH6、STAT1、CD24、FGFR2、DCDC2和CTNND2 )的表达仅限于导管板（ductal plate，DP）；而TROP-2 的表达仅限于成人祖细胞和BEC细胞，且是区分胎肝HHyP群与胆管（bile ducts，BD）中存在的TROP-2⁺定型BEC的关键标记物。

④ 人源胎肝HHyP群移植到10周龄NSG（NOD scid gamma）免疫缺陷小鼠，4周后可再生肝脏组织，产生清晰的扩增区域且呈现混合祖细胞表型。（zrz/Lina）

胎肝细胞群间的基因表达比较

Single cell analysis of human foetal liver captures the transcriptional profile of hepatobiliary hybrid progenitors.

2019.07.26, DOI: 10.1038/s41467-019-11266-x.

研究文章；生命发育；人，小鼠，胎儿，肝脏，发育生物学，再生，祖细胞，scRNA-seq；Joe M. Segal，Deniz Kent, Stephen R. Quake, Hiromitsu Nakauchi, S. Tamir Rashid; King’s College London, Stanford University; UK, USA.

暨南大学：人类胚胎肝脏发育的基因时空表达谱及细胞分化机制

Frontiers in Cell and Developmental Biology [IF: 6.684]

① 多模态交叉分析整合scRNA-seq和空间转录组数据，绘制出不同时期（孕后PCW8和PCW17）人胎肝的细胞类型、亚群、相互之间的关系以及肝脏细胞的分化发育轨迹。

② 验证不同肝细胞亚群之间基因表达和功能富集的差异，证实人类胎儿肝细胞的空间分辨异质性，并鉴定出各亚群细胞通讯中的活性配体-受体对。

③ 描绘出胎肝发育期间红细胞谱系的分化轨迹，此外，红细胞经历快速增殖和迁移，且代谢变化对人类成红细胞成熟至关重要。

④ 基于“成人疾病的胎儿及婴儿起源”假说，发现与肝病相关的17个基因主要在巨核细胞和内皮细胞中表达。

⑤ 确定不同时期胚肝细胞差异表达基因的共表达模块，突出基因功能的协作模式，并发现细胞间存在活跃的细胞通讯。（lyc）

人类胎肝中的主要细胞类型

Integrating spatial transcriptomics and single-cell RNA-seq reveals the gene expression profling of the human embryonic liver.

2021.05.20, DOI: 10.3389/fcell.2021.652408.

研究文章；生命发育；人，胚胎，肝脏，scRNA-seq，空间转录组，多模式交叉分析，肝细胞分化，红细胞，细胞通讯；Xianliang Hou, Yane Yang, Donge Tang, Minglin Ou, Yong Dai；暨南大学，桂林医科大学第二附属医院，桂林市924医院，中国

人类肝脏表观图谱揭示的形态分区与代谢调控

Nature Communication [IF: 12.121]

① 通过激光捕获冷冻显微解剖（laser capture cryo microdissection，LCM）从19例供体肝标本中分离肝细胞并SMART RNA-seq，首次绘制了人类肝脏三个微解剖区（中心周区、中间区和门脉周区）的单细胞空间转录组和DNA甲基化图谱，为理解人类肝脏中受表观遗传和转录梯度控制的区域网络提供了新见解。

② 1,000个表达变化最大的基因（包括271个表观遗传学标记的调控分区代谢与形态网络的核心基因）的主成分分析显示，表达梯度与DNA甲基化呈显著负相关。

③ 46个转录因子结合位点调控的DNA甲基化，呈现显著的门户-中心梯度（porto-central gradient）分布，该梯度包含了Wnt通路相关的表观遗传学和转录调控。

④ 非酒精脂肪肝患者的三个微解剖区表现出与疾病严重程度相一致的基因表达差异，但相对分区基因表达和DNA甲基化特征保持不变。（胡杰）

人类肝脏沿porto-central轴的转录分区

Epigenomic map of human liver reveals principles of zonated morphogenic and metabolic control.

2018.10.08, DOI: 10.1038/s41467-018-06611-5.

研究文章；生命结构；人，肝脏，表观遗传图谱，LCM，代谢调控，SMART RNA-seq; Mario Brosch, Kathrin Kattler, Clemens Schafmayer, Jörn Walter, Jochen Hampe; University Hospital Dresden, Technische Universität Dresden (TU Dresden), Universität des Saarlandes, Germany.

疾病

Disease

不同病因的肝纤维化的发病机制

Hepatology [IF: 17.425]

① 利用四氯化碳（CCl₄）诱导的肝毒性和胆管结扎（bile duct ligation，BDL）引起的胆汁淤积性肝纤维化模型，scRNA-seq和谱系追踪分析了肝星状细胞（Hepatic stellate cells，HSCs）和门静脉肌成纤维细胞（portal fibroblasts，PFs）的激活情况，绘制了肝纤维化过程中造血干细胞激活的转录路线图。

② 基于液滴scRNA-seq，获得47,752个细胞转录组（10,636个来自油对照组、18,185个来自CCl₄处理组、18,931个来自BDL处理组），无监督聚类分为8个不同的簇[HSCs、内皮细胞、Kupffer细胞、PFs、白细胞、肝细胞和胆管细胞（Sox9⁺胆管细胞和Sox9^-胆管细胞）]，其中HSCs是最大的簇（约占总细胞数的60%）。

③ 在HSC纤维化激活期间，与静止状态相关的基因（如Lrat和Rgs5，Vipr1、Gucy1a1和Gucy1b1）表达迅速下调，随后依次激活参与炎症反应、细胞迁移和细胞外基质产生的基因。

④ 在CCl₄处理的肝脏中，HSCs是肌成纤维细胞的唯一来源，而PFs是早期胆汁淤积性肝纤维化中肌成纤维细胞的主要来源；此外，细胞谱系示踪和差异基因表达分析发现，一氧化氮受体可溶性鸟苷酸环化酶（soluble guanylate cyclase，sGC）只在HSCs中表达，在PFs中不表达。

⑤ Riociguat可激活HSCs中的sGC，从而有效抑制炎症细胞因子的表达，以及星状细胞的迁移；在CCl₄处理组中能有效抑制肝纤维化，而在BDL处理组中没有明显的治疗效果。（zrz/Lina）

注：Riociguat是一种sGC刺激剂，已被美国食品和药物管理局批准用于治疗肺动脉高压。

研究设计示意图

Single-cell transcriptomic analysis reveals a hepatic stellate cell-activation roadmap and myofibroblast origin during liver fibrosis in mice.

2021.08.21, DOI: 10.1002/hep.31987.

研究文章；疾病病理；小鼠，肝脏，肝纤维化，肝星状细胞，肌成纤维细胞，scRNA-seq; Wu Yang, Hao He；中国科学院上海有机化学研究所，中国科学院大学，中国

人类肝脏肿瘤及微环境的单细胞和时空图谱

Molecular Systems Biology [IF: 11.429]

① 5个胆管型肝癌或癌症肝转移患者，单细胞转录组测序分析获得7,947个细胞数据（4,140个来自癌变肝组织，3,807个来自正常肝组织），聚类成17簇并基于marker基因进行了分类，并对12个maker基因进行了smFISH定位验证。

② 在患者之间，癌细胞表现出高度的异质性，但肿瘤微环境中复发基因表达特征表现出一致性。

③ 同一肿瘤微环境内（即同一患者的样本），恶性与非恶性部位的基因表达有差异，但是原发性病灶和转移病灶的内皮细胞、T细胞相关基因表达差异不显著。

④ 基于配体受体数据库分析鉴定肿瘤细胞和基质细胞的相互作用对，发现了肿瘤微环境驱动肝脏原发癌和转移癌的信号细节，确定了交互的作用网络与肿瘤严重程度有关。

⑤ 综合scRNAseq、bulk RNAseq和LCMseq（激光捕获显微解剖转录组）等的方法，推断了正常肝组织中转录表达分区模式，发现2,677个（共8,536个）基因的显著分区聚集在小叶径向轴（lobule radial axis），且小鼠中也存在类似现象，且两者存在有基因重叠。

⑥ 4名患者63个组织区域（包括肿瘤边界、肿瘤核心、肿瘤与纤维化区域之间的边界、纤维化区域内的肿瘤胰岛和纤维化区域）LCMseq和bulk RNAseq解析了细胞构成差异。（李晓宇）

人恶性肝脏肿瘤单细胞图谱

A single cell atlas of the human liver tumor Microenvironment.

2021.11.18, DOI: 10.15252/msb.20209682.

研究文章；癌症科学；人，肝脏，肝癌，细胞图谱，肿瘤-基质相互作用，scRNA-seq, smFISH, LCMseq, 空间转录组；Hassan Massalha, Shalev Itzkovitz; Weizmann Institute of Science; Israel.

复旦大学&华大：循环肿瘤细胞单细胞全长转录组解析肝癌免疫逃逸机制

Nature Communications[IF: 14.919]

① 对10个肝癌患者的肝静脉、外周动脉、外周静脉和门静脉4个不同血管部位分离的113个循环肿瘤细胞（circulating tumor cells，CTC），进行单细胞全长转录组测序。

② CTC中富集表达上调的基因涉及细胞迁移侵袭和免疫应答、细胞周期、细胞凋亡等信号通路。

③ 肝静脉CTC的异质性最高，流入外周动脉后CTC异质性显著降低，在外周静脉和门静脉内CTC的异质性再次升高；不同循环部位之间的CTC呈现出转录组的时空动态变化特征。

④ 发现趋化因子CCL5是CTC免疫逃避的重要介质，p38-MAX信号转导调控CTC中CCL5过表达，且该信号转导募集调节性T细胞（Treg）以促进CTC的免疫逃逸和转移接种。（刘卓雅）

CTC的分离及单细胞RNA的制备

Dissecting spatial heterogeneity and the immune-evasion mechanism of CTCs by single-cell RNA-seq in hepatocellular carcinoma.

2021.07.02, DOI: 10.1038/s41467-021-24386-0.

研究文章；癌症科学；人，肝脏，肝癌，循环肿瘤细胞，空间转录组，免疫逃逸，转移，scRNA-seq; Yun-Fan Sun, Liang Wu, Shi-Ping Liu, Miao-Miao Jiang, Bo Hu, Yong Hou, Jia Fan, Xin-Rong Yang；复旦大学属中山医院，复旦大学，深圳华大生命科学研究院；中国

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