Commun Biol︱首都医科大学高伟/江梦溪课题组利用空间转录组学分析小鼠肝缺血再灌注分区损伤模式

撰文︱辛家祺责编︱方以一，王思珍编辑︱杨彬薇

根据供氧含量和血流方向可将肝小叶分为汇管周围区（periportal zone, 1区）、过渡区（intermediary zone, 2区）和中央静脉周围区（pericentral zone, 3区）[1]。肝脏的氧含量、基因表达谱和细胞分布等特征在不同肝分区呈现异质性，导致区域性肝损伤模式[1]。肝缺血再灌注(ischemia-reperfusion, I/R)损伤是肝移植的常见并发症，其损伤模式呈现肝分区特异性[2]，但其空间分辨率下的基因表达失调和细胞功能障碍机制尚未被阐明。

2023年2月18日，首都医科大学高伟课题组/江梦溪课题组合作在Communications Biology上发表了题为“Spatial transcriptomics analysis of zone-dependent hepatic ischemia-reperfusion injury murine model”的研究，利用空间转录组学揭示了小鼠肝I/R模型肝分区损伤的分子细胞图谱，预测并验证了传统中药雷公藤（Tripterygium wilfordii）中单体化合物雷公藤红素（Celastrol）通过HIF1α 通路减轻肝I/R损伤。

作者通过对健康小鼠不同肝分区展开空间转录组分析，确定了各分区的标志基因和主要功能。与1区相比，3区富含多种编码细胞色素P450酶的基因，并富集到内源和外源代谢通路（图1a），而1区高表达基因主要富集到组氨酸和谷氨酸代谢与细胞增殖通路（图1b）。此外各分区存在非实质细胞（non-parenchymal cells，NPCs）异质性，表现为1区中如内皮细胞等NPC含量更高（图1c），可能对肝I/R损伤发挥保护作用[3-5]。

图1. 空间转录组分析小鼠健康肝脏的功能通路和NPCs含量

（图源：Xin J, et al., Commun Biol. 2023）

作者进而建立小鼠I/R模型，发现3区为主要的损伤区域，组织病理学表现为大量细胞坏死、肝窦充血、免疫细胞浸润等肝损伤特征。对各肝分区进行空间转录组分析后发现与健康状态相比，I/R后3区高表达急性期反应基因和热休克蛋白，通路富集在急性炎症反应、未折叠蛋白反应和自噬通路（图2），去卷积分析结果显示I/R后3区肝实质细胞含量显著下降（图3a, b）。免疫浸润分析和免疫组化结果显示3区中促炎性M1巨噬细胞含量上升，而抗炎性M2巨噬细胞含量下降（图3c）。以上结果从分子和细胞层面解释了3区I/R损伤模式的可能机制。

图2. 空间转录组分析I/R后差异基因和功能通路

（图源：Xin J, et al., Commun Biol. 2023）

图3. I/R导致肝实质细胞和肝NPCs的比例和含量改变

（图源：Xin J, et al., Commun Biol. 2023）

作者选取I/R引起3区特异性损伤通路（图2b）中的差异基因，利用CMap数据库预测模拟I/R相关基因扰动的小分子药物。通过对3条通路候选药物取交集确定Celastrol为唯一候选药物（图4a）。进而以H&E染色等实验验证Celastrol可显著减轻小鼠肝I/R损伤（图4b）。

图4. Celastrol减轻小鼠肝I/R损伤

（图源：Xin J, et al., Commun Biol. 2023）

作者通过GEO数据分析、Hub基因分析等方式预测缺氧诱导因子1α (HIF1α)可能是Celastrol减轻I/R损伤的关键分子靶点。通过分子对接、双荧光素酶报告基因实验证明Celastrol可与HIF1α 结合并激活HIF1α 通路（图5a-d）。综上所述，Celastrol可能成减轻临床肝移植引起I/R损伤的潜在治疗药物。

图5. Celastrol激活HIF1α 通路

（图源：Xin J, et al., Commun Biol. 2023）

图6. 空间转录组分析肝I/R引起急性炎症反应、未折叠蛋白反应和自噬通路改变和细胞含量变化，并预测验证Celastrol通过激活HIF1α 通路、达到缺氧预处理作用从而减轻肝I/R损伤

（图源: Nature Portfolio Health Community 同作者发表的Behind the Paper评论

https://healthcommunity.nature.com/posts/location-location-location-a-spatial-perspective-of-liver-heterogeneity-in-physiological-and-pathological-contexts?channel_id=behind-the-paper）

文章结论与讨论，启发与展望

本研究创新性地将空间转录组应用于肝I/R分区损伤模式分析，有助于全面了解肝脏在生理和病理条件下的的转录组和细胞类型的空间异质性，并揭示I/R后分区损伤模式的可能机制，为探究其他类型分区损伤的疾病提供了范例。Celastrol可能通过激活HIF1α 信号通路引起化学缺血预适应，是减轻肝I/R损伤的潜在策略（图6）。然而由于I/R机制复杂、Celastrol作用靶点众多，更深入新颖的机制仍有待发掘。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s42003-023-04564-0

首都医科大学高伟教授和江梦溪教授为本论文共同通讯作者，首都医科大学硕士研究生辛家祺为本论文第一作者。本研究得到了国家自然科学基金项目和国家重点研发计划等项目的支持

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[3]. Li, S., et al., The protective effects of fibroblast growth factor 10 against hepatic  ischemia-reperfusion injury in mice. Redox Biol, 2021. 40: p. 101859.

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[5]. Devey, L., et al., Tissue-resident macrophages protect the liver from ischemia reperfusion injury  via a heme oxygenase-1-dependent mechanism. Mol Ther, 2009. 17(1): p. 65-72.

本文完