人类肠道细胞时空图谱的构建及其意义

作者与发表信息
本研究由Rasa Elmentaite等来自英国Wellcome Sanger研究所、剑桥大学、纽卡斯尔大学等19家机构的联合团队完成，于2021年9月9日发表于*Nature*期刊（卷597）。

学术背景
肠道是消化、免疫调节和神经调控的核心器官，其细胞组成随发育阶段和解剖区域动态变化。尽管单细胞技术已用于成人肠道研究，但缺乏涵盖胚胎至成年全生命周期的系统性图谱。本研究旨在通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）和抗原受体分析，绘制人类肠道在时空维度（解剖区域和发育阶段）的细胞图谱，揭示发育、稳态和疾病中的关键细胞程序。

研究流程与方法
1. 样本采集与处理
- 样本来源：涵盖胚胎期（6–17孕周）、儿童期和成年期（29–69岁）的肠道组织及肠系膜淋巴结（MLN），共42.8万个细胞，来自11个解剖区域（如十二指肠、回肠、结肠等）。
- 单细胞分离：采用酶消化法（Liberase TL/DH+透明质酸酶）解离组织，通过磁珠分选（MACS）富集CD45+免疫细胞和CD45−非免疫细胞。
- 测序技术：10x Genomics Chromium平台进行单细胞转录组测序（scRNA-seq）和VDJ分析，部分样本使用SMART-seq2全长转录组测序。

1. 数据分析

   • 质量控制：过滤低质量细胞（<500基因或线粒体基因>50%），使用Scrublet去除双细胞。
     
   • 聚类与注释：基于Leiden算法聚类，通过标记基因（如EPCAM标记上皮细胞）定义133种细胞类型/状态。
     
   • 时空动态分析：比较不同发育阶段和区域的细胞组成差异，利用RNA速率（scVelo）预测分化轨迹。
     

2. 功能验证

   • 免疫组化与smFISH：验证关键基因（如BEST4、FCGR2A）的蛋白表达和空间定位。
     
   • 小鼠模型：通过流式细胞术检测Tuft细胞中IgG受体（FcγR）的表达。
     

主要结果
1. 上皮细胞多样性
- BEST4+上皮细胞：发现其在小肠（高表达CFTR，与囊性纤维化相关）和结肠（代谢小分子）的功能差异，提示区域特异性作用。
- Tuft细胞的免疫感应功能：首次发现2.75%的Tuft细胞表达IgG受体FCGR2A，并通过小鼠实验证实其介导PLCγ2信号通路，可能参与炎症响应。

1. 肠神经系统发育

   • 神经嵴细胞分化：鉴定出ETV1+（分支A）和BNC2+（分支B）两类神经元前体，分别分化为抑制性运动神经元（IMN）和兴奋性运动神经元（EMN）。
     
   • Hirschsprung病关联基因：RET在分支A神经元高表达，而ZEB2和EDNRB在结肠胶质细胞中富集，为疾病机制提供线索。
     

2. 淋巴组织发育与炎症性肠病（IBD）

   • 次级淋巴器官形成：发现胎儿肠道中淋巴组织诱导细胞（LTi）与基质组织者（MLTO）通过CXCL13-CXCR5信号聚集，驱动淋巴结构发育。
     
   • 克罗恩病的重编程：患者样本中ILC3和基质细胞重现胎儿MLTO的转录特征，提示炎症环境下发育程序的异常激活。
     

结论与意义
本研究构建了首个跨时空的人类肠道单细胞图谱，揭示了BEST4细胞区域特异性、Tuft细胞的免疫感应功能及神经/免疫发育的分子机制。科学价值在于：
1. 基础研究：为肠道细胞分化、免疫-神经互作提供系统性数据。
2. 疾病机制：关联Hirschsprung病和IBD的细胞特异性基因表达，助力靶点发现。
3. 技术应用：整合scRNA-seq与空间转录组（Visium），推动多组学方法在发育生物学中的应用。

研究亮点
- 跨尺度数据整合：覆盖胚胎至成人、健康与疾病的动态变化。
- 新细胞功能发现：如Tuft细胞的IgG感应能力。
- 资源开放：数据可通过gutcellatlas.org访问，促进后续研究。

其他价值
研究还提示SARS-CoV-2受体ACE2在发育期肠上皮的表达，为病毒感染机制提供线索。此外，开发的算法（如Cell2Location）为空间转录组分析提供新工具。