“透視”肝臟：中國科學(xué)家構(gòu)建小鼠肝臟高精度時空圖譜
·首次成功構(gòu)建了小鼠肝臟的高精度時空圖譜，探索了肝臟的空間分子特征與損傷修復(fù)中的分子機制，為未來肝臟疾病的治療提供了新思路。
在所有的器官中，肝臟可能是最“神秘”的一個。它不僅是最大的實體器官，包含最多的血液，具備器官中最強的再生能力，還擔(dān)負著代謝、合成、消化、免疫等多種功能。
古代人曾認為肝代表著欲望、感情沖動和生命力本身。而在現(xiàn)代科學(xué)家們眼中，肝的生理機制則是在基因的引導(dǎo)下，多樣的細胞進行功能性分化、表達與合作的結(jié)果。對于這些復(fù)雜的機制還有太多未解之謎。
隨著基因測序、計算機等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們有望通過更加精準(zhǔn)和深入的觀測技術(shù)來探索這些謎題。2024年4月16日，杭州華大生命科學(xué)研究院與中國科學(xué)院分子細胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心主導(dǎo)，聯(lián)合吉林大學(xué)、廣州醫(yī)科大學(xué)第五附屬醫(yī)院、山西醫(yī)科大學(xué)、上?？萍即髮W(xué)等國內(nèi)外機構(gòu)，在國際期刊《自然·遺傳學(xué)》（Nature Genetics）發(fā)表了兩篇研究成果，首次成功構(gòu)建了小鼠肝臟的高精度時空圖譜，探索了肝臟的空間分子特征與損傷修復(fù)中的分子機制，為未來肝臟疾病的治療提供了新思路。
在華大自研的名為Stereo-seq時空組學(xué)技術(shù)的幫助下，研究人員們在納米級分辨率上將肝臟細胞的空間信息與細胞基因等分子信息相結(jié)合，對肝臟進行了深層透視和建模。在其中的一項研究中，研究者們對小鼠的正常肝臟和70%切除之后的肝臟展開研究，揭示了小鼠穩(wěn)態(tài)肝臟中的細胞類型、基因表達和微環(huán)境信號的空間特征，以及部分肝切除后對應(yīng)的時空動態(tài)變化如何協(xié)調(diào)準(zhǔn)確的肝再生。
在肝臟的不同區(qū)域中存在不同類型的細胞，它們在基因引導(dǎo)下分化，行使著不同的功能，并通過一系列機制相互協(xié)作。研究團隊在肝臟的門靜脈-中央靜脈軸上解析了不同類型肝細胞的基因功能分布特征，并識別出一系列具有區(qū)域化分布的基因。
除此之外，團隊還首次發(fā)現(xiàn)肝臟中存在約50-200微米的免疫微結(jié)構(gòu)，對其進行定位并解析其中的免疫細胞組成，發(fā)現(xiàn)主要由T細胞和單核細胞組成。研究團隊推測其可能是肝臟免疫響應(yīng)的特殊機制，可協(xié)助肝臟抵御外源細菌或抗原。
在另一項研究中，研究人員們則在相同技術(shù)的幫助下觀察膽汁淤積損傷后肝臟在自我修復(fù)時的分子過程。膽汁淤積是由于膽汁分泌及排泄障礙引起的，嚴重時可能導(dǎo)致膽囊炎、肝硬化、肝衰竭等系列疾病的發(fā)生。在發(fā)生這種損傷后，肝臟中的門靜脈區(qū)肝細胞會重編程為肝祖樣細胞（LPLC），為肝細胞的增殖作出貢獻。在本研究中，科學(xué)家們觀察了該過程中的損傷響應(yīng)和微環(huán)境信號的時空動態(tài)變化特征。
現(xiàn)代科學(xué)如何理解肝臟功能？這兩項研究將如何加深我們對肝臟疾病的認識？小鼠肝臟與人類肝臟有何區(qū)別？時空組學(xué)技術(shù)到底是什么？為回答這些問題，澎湃科技記者采訪了研究團隊中的多名研究者。
杭州華大生命科學(xué)研究院團隊成員（左起）許江山、郝世杰、郭鵬程在做實驗。受訪者供圖
中國科學(xué)院分子細胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心團隊成員（左起）申屠欣怡、惠利健研究員、南海濤和吳柏華。受訪者供圖
【對話】
基因與細胞視角下的肝臟
澎湃科技：本次研究主要關(guān)注肝臟的哪些方面？
許江山（肝臟穩(wěn)態(tài)-肝切除-再生時空圖譜論文共同第一作者、杭州華大生命科學(xué)研究院副研究員）：肝臟是人體內(nèi)最重要的代謝器官之一，參與蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物等物質(zhì)的代謝和調(diào)節(jié)。它具有解毒功能，能夠清除體內(nèi)的有害物質(zhì)和代謝產(chǎn)物。此外，肝臟還能合成許多重要的生物活性物質(zhì)，如白蛋白、膽固醇、膽汁酸和凝血因子等。
肝臟由其基本結(jié)構(gòu)單元肝小葉組成，每個肝小葉類似于一個立體正六邊形結(jié)構(gòu)，中央靜脈位于正六邊形的中心，外周門靜脈、肝動脈和膽管共同位于正六邊形的外周頂點，血流從外圍頂點流向中心。伴隨著血流而來的氧氣以及營養(yǎng)物質(zhì)逐步被肝細胞吸收和代謝，形成了其獨特的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)連續(xù)梯度分布現(xiàn)象，即肝臟分區(qū)（Liver zonation）。這一分區(qū)實際上也是肝臟細胞行使功能分工的基礎(chǔ)，比如在中央靜脈附近的肝細胞主要負責(zé)解毒功能，而周圍的門靜脈附近的肝細胞則主要負責(zé)白蛋白合成，這一分工也保證了肝臟功能的高效行使，同時也帶來了疾病對不同區(qū)域肝細胞的易感性。
肝臟的基本結(jié)構(gòu)。受訪者供圖
在本研究中，利用華大特有的時空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，我們精細解析了肝臟在穩(wěn)態(tài)、損傷和再生情況下這一功能分區(qū)的時空動態(tài)，包括肝臟中的細胞類型組成及其空間分布情況、基因表達空間信息，判別哪些基因表達具有肝臟分區(qū)特征，并在此基礎(chǔ)上探索了內(nèi)在的基因網(wǎng)絡(luò)和微環(huán)境特征。
澎湃科技：文章提到動物肝臟在組織穩(wěn)態(tài)和擾動期間的協(xié)調(diào)響應(yīng)機制尚不清楚，這為我們理解很多疾病造成了障礙。能否介紹一下已知理論中細胞之間大概是如何通訊并協(xié)同的？基因在里面發(fā)揮什么樣的作用？為什么說理解這些現(xiàn)象能夠加深我們對疾病的認知？
許江山：細胞間的通訊一般指的是細胞所處的微環(huán)境特性，包括了細胞通過分泌信號分子（如激素、生長因子）、直接接觸（如巨噬細胞吞噬），或通過分泌細胞外基質(zhì)間接參與微環(huán)境。
這些微環(huán)境因素和細胞相互作用，影響了細胞的功能和行為，比如信號分子可以擴散到周圍細胞，并與細胞表面的受體相互作用，觸發(fā)一系列信號傳導(dǎo)途徑，從而影響周圍細胞的基因表達。不同的基因表達模式可以導(dǎo)致細胞的不同狀態(tài)和功能，進而影響整個組織和器官的功能。
理解細胞間通訊和協(xié)同對于我們認知疾病非常重要。例如，在肝炎和肝纖維化中，炎癥和纖維化信號的紊亂可以導(dǎo)致肝細胞和非肝細胞之間的通訊紊亂，進而導(dǎo)致炎癥反應(yīng)的持續(xù)激活和纖維化的過度沉積。類似地，在肝癌中，肝細胞和周邊免疫細胞之間的通訊紊亂可能影響腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移。
澎湃科技：研究使用的是小鼠的肝臟，請問小鼠肝細胞與人類肝細胞相似嗎？為什么不直接研究人體肝組織？
郝世杰（文章共同第一作者、杭州華大生命科學(xué)研究院博士研究生）：肝臟從脊椎動物的共同祖先進化而來，當(dāng)然也是哺乳類動物保守的器官，因此小鼠肝臟和人類肝臟的細胞組成和轉(zhuǎn)錄組特征是很相似的。
但人體研究受限于性別、飲食、年齡等個體差異，較難從中得到普適性規(guī)律。并且損傷、再生的相關(guān)研究也難以在人體上展開，因此，我們第一步先使用小鼠這一可控的模式動物進行研究。下一步，我們也會將研究拓展到人類肝臟的各種退行性狀況，如肝疾?。ㄈ缰靖?、纖維化）或衰老等情況。
空間組學(xué)技術(shù)：基因信息與空間信息的整合
澎湃科技：能否介紹一下空間組學(xué)技術(shù)以及本研究所使用的Stereo-seq技術(shù)？研究中所產(chǎn)生的圖譜花了多長時間繪制？主要反映了什么信息？
上官順成（肝臟穩(wěn)態(tài)-肝切除-再生時空圖譜論文共同第一作者、深圳華大生命科學(xué)研究院生化工程師）：空間組學(xué)技術(shù)是一種用于研究組織或細胞內(nèi)基因表達的方法，它結(jié)合了空間信息和轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)通常只提供基因表達的整體信息，而無法提供細胞或組織內(nèi)基因表達的空間分布信息。而空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)通過將組織或細胞固定在其原始位置上，從而提供了基因表達的空間定位信息。這一技術(shù)的發(fā)展為研究人員提供了一種更全面、更準(zhǔn)確地理解基因表達的方法。
本研究使用的Stereo-seq技術(shù)，使用的是華大自主研發(fā)的時空芯片。芯片上布滿了數(shù)以億計規(guī)則陣列式排布的DNA納米球，每個納米球之間相距500納米（過去同類方法的精度在10 μm），每個球上都帶有自己獨特的標(biāo)簽，用來標(biāo)注特定的空間位置信息。研究人員用帶有位置信息的芯片，去結(jié)合新鮮組織冷凍切片，經(jīng)過一系列步驟，將細胞中的基因捕獲并擴增成核酸文庫，并進行測序。再經(jīng)過時空云平臺的數(shù)據(jù)處理步驟，就能夠?qū)⒉东@的細胞實時基因表達信息和芯片上的空間位置信息一一對應(yīng)，即得到了文中肝臟組織切片的時空轉(zhuǎn)錄圖譜。
肝臟損傷和修復(fù)過程中的時空組學(xué)圖譜。受訪者供圖
在本項研究中，數(shù)據(jù)的生成只花了短短不到1個月的時間，但是其中的生物學(xué)意義的解讀花了較長的時間。這或許也是未來的趨勢，生成數(shù)據(jù)的速度遠超常規(guī)解讀能力的發(fā)展，這可能是為什么我們需要人工智能的輔助。這些圖譜以前所未有的數(shù)據(jù)深度與廣度，解析了肝臟在穩(wěn)態(tài)、損傷及再生中的時空變化。
澎湃科技：未來該技術(shù)有何發(fā)展方向？可以應(yīng)用于別的器官嗎？有什么局限？
賴毅維（文章共同通訊作者、杭州華大生命科學(xué)研究院副研究員）：進一步，我們期望基于現(xiàn)有的研究，聯(lián)合國內(nèi)外肝臟領(lǐng)域的專家，一方面是把新的組學(xué)技術(shù)方法，應(yīng)用到臨床的肝臟代謝性疾病、癌癥、衰老等問題上，去解決切實的臨床問題，尋找疾病治療和促進肝臟修復(fù)的新方法；另一方面則是圍繞肝臟研究，發(fā)展新的檢測技術(shù)，把目前的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)拓展到更全面的空間多維組學(xué)信息，并借助深度學(xué)習(xí)等全新的人工智能技術(shù)，最終構(gòu)建數(shù)字化的肝臟模型。
該技術(shù)實際上已經(jīng)運用于多個器官，比如我們利用時空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，與蒲慕明院士領(lǐng)銜的中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）合作，構(gòu)建了食蟹猴全腦皮層的3D圖譜；也正在與金鳳實驗室合作，期望在傳統(tǒng)的病理學(xué)基礎(chǔ)上，結(jié)合Stereo-seq發(fā)展數(shù)字病理學(xué)。未來，我們也希望能將這一技術(shù)從僅用于轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)展到可以同時捕獲更多維度的信息。
“透視”肝臟：“高清相機”下的結(jié)構(gòu)與機制
澎湃科技：能否介紹一下在肝臟穩(wěn)態(tài)時空圖譜中的多項新發(fā)現(xiàn)？
賴毅維：我們不但對肝細胞的基因梯度分布特征，也對內(nèi)皮細胞、星狀細胞做梯度分布的基因做了全面的鑒定，找到了大量未被報導(dǎo)具有這一特征的基因。
比如，在肝細胞中我們發(fā)現(xiàn)乙肝病毒的受體NTCP，在中央靜脈周圍的肝細胞中具有非常高的表達特征，這也解釋了為什么乙肝病毒更多累積在中央靜脈附近的肝細胞中。這也為我們設(shè)計針對肝臟疾病的治療方法提供了參考。
澎湃科技：研究還首次發(fā)現(xiàn)肝臟中的一種免疫微結(jié)構(gòu)，能否介紹一下？
郭鵬程（文章共同第一作者、杭州華大生命科學(xué)研究院博士后）：我們認為這一微結(jié)構(gòu)實際在過去不斷地被觀測到，但囿于形態(tài)學(xué)的觀察，過去的研究并未能夠總結(jié)其真實的特征。
借助時空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，我們不但發(fā)現(xiàn)這一在肝臟中隨機分布的免疫微結(jié)構(gòu)主要由T細胞和單核細胞組成，也發(fā)現(xiàn)這些細胞具有響應(yīng)干擾素γ的下游基因特征。因此，我們猜測這一結(jié)構(gòu)的存在能夠維持肝臟快速響應(yīng)外源病原體感染的能力，使得肝臟能夠快速清除病原體。我們挖掘了過去的研究，發(fā)現(xiàn)類似的免疫微結(jié)構(gòu)也在皮膚、結(jié)直腸中被鑒定發(fā)現(xiàn)。但其真正的功能及作用機制仍有待研究。
澎湃科技：研究還分析了肝臟內(nèi)各種細胞在肝臟再生過程中的協(xié)調(diào)過程，并發(fā)現(xiàn)了一個炎癥誘導(dǎo)調(diào)節(jié)因子TBL1XR1。能否介紹一下？
郭鵬程：TBL1XR1是一個轉(zhuǎn)錄因子（能夠以序列特異性方式結(jié)合DNA 并且調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)）的輔助因子，目前認為這個因子參與肝臟的脂肪分解代謝調(diào)控，它的功能喪失會導(dǎo)致嚴重的脂肪肝，也被證明與肝癌的發(fā)生存在關(guān)聯(lián)。
在我們的研究中我們發(fā)現(xiàn)，TBL1XR1會在肝切除后被激活，如果我們干擾這個因子的激活，肝臟再生就會被抑制。因此我們認為TBL1XR1是一個促進肝再生至關(guān)重要的調(diào)控因子。這也為臨床上通過調(diào)控TBL1XR1促進肝再生從而達到治療肝臟疾病或肝癌提供了新的靶點。
澎湃科技：在膽汁淤積這項研究中，研究者發(fā)現(xiàn)膽管細胞在區(qū)域性損傷、肝細胞再生中擔(dān)任信號“樞紐”。能否介紹一下這個疾病，并描述這些過程？
吳柏華（膽汁淤積損傷與再生時空圖譜論文共同第一作者、中國科學(xué)院分子細胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心惠利健研究團隊博士研究生）：臨床上膽汁淤積性疾病主要包括原發(fā)性膽汁性膽管炎（PBC）與原發(fā)性硬化性膽管炎（PSC）、膽道閉鎖等。其主要的特點是在門靜脈區(qū)域膽管細胞和肝細胞的損傷，伴隨著免疫細胞的浸潤以及纖維化，可逐漸發(fā)展至肝硬化、肝衰竭甚至死亡。膽汁淤積性疾病的發(fā)病機制目前尚不明確，臨床有效治療方案有限，因此迫切需要研究膽汁淤積癥的發(fā)病機制，以確定新的治療靶點。
膽汁淤積性疾病通常有著顯著的門靜脈區(qū)域多種免疫細胞和基質(zhì)細胞的聚集，如此復(fù)雜多樣的細胞聚集在門靜脈區(qū)會強烈地影響微環(huán)境的損傷響應(yīng)，如導(dǎo)致細胞殺傷和促進纖維化，從而加速膽汁淤積損傷。那么究竟是什么細胞主導(dǎo)了門靜脈區(qū)域的免疫組分的重塑呢？
我們通過猶如一臺“高清照相機”的高分辨空間組學(xué)技術(shù)，把損傷區(qū)域細胞的成分、表達都一一“拍”了下來。令我們意外的是，相比于傳統(tǒng)在損傷下活躍的細胞類型，如巨噬細胞、成纖維細胞和肝竇內(nèi)皮細胞膽管細胞等，膽管細胞在塑造門靜脈區(qū)域的免疫細胞組分中起著更加突出的作用。具體來說，我們發(fā)現(xiàn)膽管細胞分泌一系列趨化因子，強烈吸引免疫細胞過來，同時影響著損傷區(qū)域中LAM（脂質(zhì)相關(guān)巨噬細胞）的成熟。
除此之外，我們的數(shù)據(jù)也揭示了不同亞型的類肝前體細胞（LPLCs）。那么什么是LPLC呢？在之前的工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)膽汁淤積損傷下的肝細胞會重編程為LPLC，這種狀態(tài)的肝細胞具有部分肝祖細胞的特點，能夠分化成肝細胞或膽管，這種屬性轉(zhuǎn)變是重要的，能夠貢獻肝臟再生。
但是什么因素使得一部分LPLC變成肝細胞，一部分變成膽管細胞呢？在我們組學(xué)鑒定的兩類LPLC中，我們發(fā)現(xiàn)，LPLC2在表達譜上與膽管細胞相似。在空間上，我們又一次利用“高清照相機”捕捉到，與LPLC1相比，LPLC2在位置上更接近膽管區(qū)域，這暗示了LPLC2和膽管細胞之間可能存在相互作用。進一步分析發(fā)現(xiàn)，膽管細胞強烈地表達了與肝細胞向膽管轉(zhuǎn)變相關(guān)的TGF家族因子。這就提示了膽管細胞與LPLC2向膽管譜系轉(zhuǎn)變高度相關(guān)。
來源：澎湃新聞
