消化道和消化腺的发育与结构 | 时空简讯20期

时空简讯第20期。

消化系统由消化道和消化腺组成，本期遴选8篇单细胞时空组学应用在消化系统发育、结构生物学方面的研究文章，包括肠道发育、肠道结构以及胰腺糖尿病病理等方面的研究，供了解参考。

消化道发育生物学

Development Biology of Digestive Tract

胎儿消化道发育的单细胞转录组图谱

Nature Cell Biology [IF: 28.824]

① 人妊娠6~25周（估计受精时间后数周）的胚胎中食道、胃、小肠和大肠，以及2个成人的大肠组织，scRNA-seq获取到5,277个单细胞，定义了40种不同的细胞类型（胚胎发育阶段30种，成人大肠10种），阐明了4种器官在人类胚胎发育过程中的基因表达图谱及其信号调控机制，不同细胞类型的精准发育路径和基因表达特征，并进一步详细解析了大肠发育、成熟的路径和关键生物学特征。

② 胚胎发育早期（6~11周），消化道是以干、祖细胞的快速增殖和保持未分化状态为主要特征，中期（12~18周）初步建立了消化功能和免疫功能，晚期（19~25周）主要以组织细胞的结构特化和消化吸收功能特化和成熟为主要特征。

③ 胚胎发育早期4个消化道器官的基本基因表达特征仍然非常相似，之间仅有259个差异表达基因；而到晚期，4个器官之间差异很大，差异表达基因增加到1,193个。

④ 晚期，大肠中的细胞类型以及其基因表达模式与成年人阶段已经很接近，其中一些特定细胞类型的关键基因的表达也趋于一致，说明在胚胎晚期大肠的主要细胞类型可能已具备了初步的食物消化和营养吸收功能。

⑤ 发育中起核心调控作用的11个HOX家族基因，在不同的消化道器官中，可能起着关键的区域化调节作用；Hedgehog信号通路中，IHH配体在大肠和小肠上皮细胞中高表达，且此通路可能间接调控间充质与上皮细胞状态之间的转换；Wnt、FGF、TGF-β和BMP等信号通路协同调控小肠和大肠的发育过程。（逄慧/Lina）

研究设计示意图

Tracing the temporal-spatial transcriptomelandscapes of the human fetal digestive tract using single-cell RNA-sequencing.

2018.05.25, DOI: 10.1038/s41556-018-0105-4

研究文章；生命发育；人，胚胎，食道，胃，小肠，大肠，scRNA-seq；Shuai Gao, Liying Yan, Rui Wang, Jingyun Li, Hao Ge, Jie Qiao, Fuchou Tang; 北京大学第三医院， 国家辅助生殖与优生工程技术研究中心和生殖内分泌教育部重点实验室，北京大学；中国

人和小鼠肠神经系统神经元发育的时空转录调控

Gastroenterology [IF: 22.682]

① 对发育中的小鼠胚胎（E11.5、E15.5）和人胚胎（5.5~10孕周）的肠神经系统（enteric nervous system，ENS）祖细胞、整个ENS（包含未成熟神经元）、周胃肠道组织进行RNA-seq和免疫组织化学（immunohistochemistry，IHC）分析，绘制了调控ENS细胞转录的多样性，和发育相关信号因子的时空表达模式，发现SOX6表达是胃多巴胺神经元发育所必需的。

② ENS发育中，鉴定了147个具有不同时空表达模式的转录和信号因子，且大多数可在人ENS中检测到，表明具有跨物种保守性；共识别出16条未被发现过的、ENS发育相关的信号通路（如FGF和Eph/ephrin通路）；使用IHC方法验证了关键基因和通路的时空表达模式。

③ 根据其在肠内前体细胞（如MEF2C）、肠内神经元（如SOX4）和神经元亚群（如SATB1和SOX6）中的特异性和动态性表达，将转录因子分为4组：I，早发型且富集；II，早期型，主要神经元；III，晚发型，主要神经元；IV，高选择性动态表达型，以利于进一步分析其功能。

④ IHC、液体胃转运试验（liquid gastric transit test）分别检测基因Sox6敲除小鼠的肠神经元多样性和胃功能，发现ENS中Sox6的缺失减少了胃多巴胺神经元的数量，并延迟了胃排空。（孙佳惠/Lina）

研究路线和主要发现

Transcription and signaling regulators in developing neuronal subtypes of mouse and human enteric nervous system.

2017.10.12, DOI：10.1053/j.gastro.2017.10.005

研究文章；生命发育，生命机理；小鼠，人，肠神经系统，发育，Sox6，RNA-seq，组织化学；Fatima Memic, Viktoria Knoflach, Ulrika Marklund; Karolinska Institute; Sweden.

Lgr5⁺：一种新发现的、外形类似上皮细胞的干细胞

Nature Communication [IF: 14.919]

①激光捕获显微切割技术（Laser Capture Microdissection，LCM）分离小鼠（5只）沿空肠隐窝-绒毛轴（jejunum crypt-villus axis）的4个基质区（c：隐窝，vb：绒毛底部，vc：绒毛中心，vt：绒毛尖端），并进行scRNA-seq，提供了一个小肠间质的空间单细胞转录组图谱，并揭示了Lgr5⁺肠绒毛尖端特络细胞（villus tip telocytes，VTTs）调控沿绒毛轴的上皮细胞基因的表达程序。

② 鉴定到位于不同的隐窝绒毛区的4个间充质细胞群：隐窝细胞、肠系膜成纤维细胞、肌成纤维细胞、VTTs。

③ VTTs位于肠绒毛尖端，是一种新的表达上皮干细胞标志物的肠绒毛尖端特络细胞Lgr5的细胞亚群；不同于隐窝Lgr5干细胞，VTTs表达分泌Bmp2、Bmp4，以及非典型Wnt5a配体，并通过这些通路调控细胞稳态。

④ 在Lgr5–GFP-DTR转基因小鼠模型中，利用白喉毒素（diphtheria toxin）剥离了Lgr5阳性细胞包括VTTs，导致绒毛尖端肠细胞基因和嘌呤代谢相关基因（Egfr、Cdh1、Klf4、Fos、Nt5e、Ada和Slc28a2）的表达水平下调；而3周后，VTTs细胞重新出现后，相关基因表达得到恢复，说明VTTs调控肠绒毛尖端的上皮细胞基因表达程序。（丁晓燕/Lina）

VTTs实现了从规范到非规范Wnt信号的空间转换

Lgr5⁺ telocytes are a signaling source at the intestinal villus tip.

2020.04.22, DOI：10.1038/s41467-020-15714-x

研究文章；生命机理；小鼠，肠，肠绒毛尖端，Lgr5，基因表达调控，scRNA-seq，LCM；Keren Bahar Halpern, Michal Shoshkes-Carmel, Shalev Itzkovitz; Weizmann Institute of Science, The Institute for Medical Research Israel-Canada, The Hebrew University Hadassah Medical School; Israel.

肠上皮细胞产生的凝血酶调控肠粘膜上生物膜 

Nature Communications [IF: 14.919]

① 结合荧光检测、荧光原位杂交（FISH）和16S rDNA测序等方法，分析来自人肠、皮肤、肝和肺的上皮细胞系，以及来自人和小鼠的结肠组织细胞，确定了肠上皮细胞中凝血酶的存在，并揭示了凝血酶对黏膜生物膜的调控机制。

② 荧光检测发现，健康人和小鼠结肠上皮细胞均可产生活性凝血酶。

③ 无菌小鼠结肠中凝血酶mRNA表达显著降低，表明结肠黏膜凝血酶表达受到共生菌群存在的调节。

④ 抑制结肠内的凝血酶活性，会引起如隐窝延长、杯状细胞区域缺失等肠道损伤，并改变宿主-微生物群相关基因（如Camp、Muc2、Tff3）的表达；同时，破坏了微生物群生物膜的空间分割状态，进而允许细菌入侵黏膜层并分布在上皮细胞上。

⑤ 凝血酶在粘膜表面发挥保护作用，其通过切割微生物群生物膜衍生蛋白来维持粘膜稳态，从而防止生物膜与组织的接触，从而限制细菌的入侵。（王靓/Lina）

Active thrombin produced by the intestinal epithelium controls mucosal biofilms.

2019.07.19，DOI：10.1038/s41467-019-11140-w

研究文章；生命机理；小鼠，结肠，肠上皮，粘膜，凝血酶，微生物；Jean-Paul Motta, Alexandre Denadai-Souza, Nathalie Vergnolle; Université de Toulouse; France.

消化腺发育生物学与病理

Development Biology and Pathology of Digestive Glands

细胞基质与细胞间粘附驱动复层上皮组织芽端分裂

Cell [IF: 41.582]

① 使用双光子显微镜，对体外培养的小鼠胚胎唾液腺进行长达两天的高时空分辨率3D活体拍摄，通过追踪细胞在三维空间中的运动轨迹，开发了活体器官成像（volumetric live-organ imaging）方案，揭示了细胞-细胞粘附和细胞-基质粘附驱动复层上皮（stratified epithelia）组织芽端形态发生的自组织机制（self-organizing mechanism）。

② 数学模型和实验扰动证实，外周上皮细胞的弱细胞-细胞粘附和强细胞-基质粘附的结合驱动了表层上皮细胞片的扩张和折叠，进而促进芽端分裂（budding morphogenesis）。

③ scRNA-seq和smFISH（single-molecule RNA fluorescence in situ hybridization）分析正在进行分枝形态形成的小鼠胚胎唾液腺上皮，获得6,943个细胞，聚类为7个细胞群，发现表层上皮和内层上皮细胞对应不同的细胞群，揭示了复层上皮芽端细胞的不同空间转录特征。

④ 使用一种与唾液腺细胞无关的癌细胞系（DLD-1）重建了分枝形态建成的早期步骤，即芽端分裂形态发生，这依赖于β1-整合素（β1-integrin）介导的细胞-基质粘附，确定了钙黏附蛋白（E-cadherin）表达减少的细胞通过细胞-细胞粘附分化到细胞表面，然后与基膜（basement membrane）相互作用促进出芽。（黎万顺/Lina）

研究设计与主要发现

Budding epithelial morphogenesis driven by cellmatrix versus cell-cell adhesion.

2021.06.15, DOI：10.1016/j.cell.2021.05.015

研究文章；生命机理；小鼠，胚胎，唾液腺，细胞间粘附, 萌芽上皮形态，scRNA-seq；Shaohe Wang, Kenneth M. Yamada; National Institute of Dental and Craniofacial Research, National Institutes of Health, USA.

人类胰腺的单细胞转录组图谱

Cell Systems [IF：10.304]

① 开发了一种高通量单细胞测序方法——SORTseq（SOrting and Robot-assisted Transcriptome SEQuencing），使用FACS、机器学习和CEL-Seq2（multiplexed linear amplification2），得到5个供体胰腺的4,262个单细胞（~1,958个基因/细胞），绘制了人类胰腺的单细胞转录组图谱，有助于更深入地理解胰腺生物学和糖尿病病理。

② 开发了推断干细胞群的StemID聚类方法，发现了GCG（alpha细胞）、INS（beta细胞）、SST（delta细胞）、PPY（PP细胞）、PRSS1（腺泡细胞）、KRT19（导管细胞）和COL1A1（间充质）的簇状特异性表达。

③ 鉴定每个簇主要差异表达基因，发现了新的细胞类型特异性基因，如ALDH1A1在alpha细胞中富集，并与GCG共表达；鉴定了先前未报道过的3种alpha细胞（CRYBA2、TM4SF4和ALDH1A1）和6种beta细胞（ID1、RBP4、SQSTM1、MT1X、FTL和FTH1）的细胞类型特异性基因。

④ 胃饥饿素受体（ghrelin receptor）GHSR只在delta细胞中表达，且参与糖尿病和葡萄糖代谢。

⑤ 免疫荧光和成像流式细胞术证实，细胞表面标记物CD24和TM4SF4（四酯蛋白家族成员，胰腺发育有关）的表达可用于高纯度的活alpha和beta细胞的分类。（陈军平/Lina）

研究设计与主要发现

A single-cell transcriptome atlas of the human pancreas.

2016.09.29，DOI：10.1016/j.cels.2016.09.002

研究文章；生命结构；人，胰腺，细胞类型，SORTseq；Mauro J. Muraro, Gitanjali Dharmadhikari, Alexander van Oudenaarden; Hubrecht Institute-KNAW (Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences) and University Medical Center Utrecht; the Netherlands.

单分子fliFISH证实胰岛β细胞具有径向和异质性的基因表达模式

Diabetes [IF: 9.461]

① 使用基于波动定位成像的FISH （fluctuation localization imaging-based fluorescence in situ hybridization，fliFISH）技术，定量分析小鼠胰岛冷冻切片中特定基因在单细胞水平表达，评估它们在胰岛空间环境中的异质性。

② 对8周龄野生型C57BL/6J小鼠胰脏，免疫荧光染色和fliFISH分析发现胰岛细胞相关关基因Ins2（胰岛素2）、MafA（蛋白A）、Ucn3（尿皮质激素3）和Rgs4（G蛋白信号通路的调节因子4）的转录表达拷贝数差异性较大；其中Ins2表达差异跨越近两个数量级，但仍小于RNA-Seq中观察到的差异，可能由于聚集的多个转录本被误算成了单个转录本，反映了FISH的局限性。

③ fliFISH方法证实在胰岛α细胞和β细胞中的确均存在Rgs4转录表达，且表达Ins2的所有β细胞也均表达了较低水平的MafA。

④ 在胰岛空间环境下Ins2、MafA和Ucn3表达检测发现，证实外围细胞相比，位于胰岛中心的细胞往往具有相对较高的转录本数量（尤其是Ins2较为显著），这可能反映了沿胰岛径向轴呈现不同的β细胞成熟状态。（叶晶晶）

Single molecule–based fliFISH validates radial and heterogeneous gene expression patterns in pancreatic islet β-cells.

2021.03.08, DOI: 10.2337/db20-0802

研究文章；生命结构；小鼠，胰岛，胰岛β细胞，空间转录组，fliFISH，单细胞；Fangjia Li, Lori Sussel, Galya Orr; Pacific Northwest National laboratory, University of Colorado Anschutz Medical Campus; USA.

糖尿病小鼠胰腺腺泡细胞的区带性特征

Cell Reports [IF：9.423]

① smFISH分析成年db/db小鼠（9~17周；高胰岛素血症和高血糖症）胰腺组织，以揭示胰腺泡细胞基因表达的空间异质性，以及腺泡细胞在参与胰岛形态变化过程中的作用。

② 胰岛周围的腺泡细胞表现出一种独特的带状基因表达特征，包括胰蛋白酶家族基因的上调和mTOR（mammalian target of rapamycin）活性的升高。

③ 带状基因表达程序可能是由胰岛细胞分泌的CCK（编码肠内分泌激素胆囊收缩素）诱导，并进而可以促进胰岛的扩张。（黄可/Lina）

主要发现示意图

Zonation of pancreatic acinar cells in diabetic mice.

2020.08.18, DOI：10.1016/j.celrep.2020.108043

研究文章；疾病病理；小鼠，胰腺，胰岛，腺泡细胞，糖尿病，smFISH；Egozi A, Shalev Itzkovitz; Weizmann Institute of Science, Israel.

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