時空簡訊第20期。

消化系統(tǒng)由消化道和消化腺組成，本期遴選8篇單細胞時空組學(xué)應(yīng)用在消化系統(tǒng)發(fā)育、結(jié)構(gòu)生物學(xué)方面的研究文章，包括腸道發(fā)育、腸道結(jié)構(gòu)以及胰腺糖尿病病理等方面的研究，供了解參考。

消化道發(fā)育生物學(xué)

Development Biology of Digestive Tract

胎兒消化道發(fā)育的單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜

Nature Cell Biology [IF: 28.824]

① 人妊娠6~25周（估計受精時間后數(shù)周）的胚胎中食道、胃、小腸和大腸，以及2個成人的大腸組織，scRNA-seq獲取到5,277個單細胞，定義了40種不同的細胞類型（胚胎發(fā)育階段30種，成人大腸10種），闡明了4種器官在人類胚胎發(fā)育過程中的基因表達圖譜及其信號調(diào)控機制，不同細胞類型的精準發(fā)育路徑和基因表達特征，并進一步詳細解析了大腸發(fā)育、成熟的路徑和關(guān)鍵生物學(xué)特征。

② 胚胎發(fā)育早期（6~11周），消化道是以干、祖細胞的快速增殖和保持未分化狀態(tài)為主要特征，中期（12~18周）初步建立了消化功能和免疫功能，晚期（19~25周）主要以組織細胞的結(jié)構(gòu)特化和消化吸收功能特化和成熟為主要特征。

③ 胚胎發(fā)育早期4個消化道器官的基本基因表達特征仍然非常相似，之間僅有259個差異表達基因；而到晚期，4個器官之間差異很大，差異表達基因增加到1,193個。

④ 晚期，大腸中的細胞類型以及其基因表達模式與成年人階段已經(jīng)很接近，其中一些特定細胞類型的關(guān)鍵基因的表達也趨于一致，說明在胚胎晚期大腸的主要細胞類型可能已具備了初步的食物消化和營養(yǎng)吸收功能。

⑤ 發(fā)育中起核心調(diào)控作用的11個HOX家族基因，在不同的消化道器官中，可能起著關(guān)鍵的區(qū)域化調(diào)節(jié)作用；Hedgehog信號通路中，IHH配體在大腸和小腸上皮細胞中高表達，且此通路可能間接調(diào)控間充質(zhì)與上皮細胞狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換；Wnt、FGF、TGF-β和BMP等信號通路協(xié)同調(diào)控小腸和大腸的發(fā)育過程。（逄慧/Lina）

研究設(shè)計示意圖

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；生命發(fā)育；人，胚胎，食道，胃，小腸，大腸，scRNA-seq；Shuai Gao, Liying Yan, Rui Wang, Jingyun Li, Hao Ge, Jie Qiao, Fuchou Tang; 北京大學(xué)第三醫(yī)院， 國家輔助生殖與優(yōu)生工程技術(shù)研究中心和生殖內(nèi)分泌教育部重點實驗室，北京大學(xué)；中國

人和小鼠腸神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元發(fā)育的時空轉(zhuǎn)錄調(diào)控

Gastroenterology [IF: 22.682]

① 對發(fā)育中的小鼠胚胎（E11.5、E15.5）和人胚胎（5.5~10孕周）的腸神經(jīng)系統(tǒng)（enteric nervous system，ENS）祖細胞、整個ENS（包含未成熟神經(jīng)元）、周胃腸道組織進行RNA-seq和免疫組織化學(xué)（immunohistochemistry，IHC）分析，繪制了調(diào)控ENS細胞轉(zhuǎn)錄的多樣性，和發(fā)育相關(guān)信號因子的時空表達模式，發(fā)現(xiàn)SOX6表達是胃多巴胺神經(jīng)元發(fā)育所必需的。

② ENS發(fā)育中，鑒定了147個具有不同時空表達模式的轉(zhuǎn)錄和信號因子，且大多數(shù)可在人ENS中檢測到，表明具有跨物種保守性；共識別出16條未被發(fā)現(xiàn)過的、ENS發(fā)育相關(guān)的信號通路（如FGF和Eph/ephrin通路）；使用IHC方法驗證了關(guān)鍵基因和通路的時空表達模式。

③ 根據(jù)其在腸內(nèi)前體細胞（如MEF2C）、腸內(nèi)神經(jīng)元（如SOX4）和神經(jīng)元亞群（如SATB1和SOX6）中的特異性和動態(tài)性表達，將轉(zhuǎn)錄因子分為4組：I，早發(fā)型且富集；II，早期型，主要神經(jīng)元；III，晚發(fā)型，主要神經(jīng)元；IV，高選擇性動態(tài)表達型，以利于進一步分析其功能。

④ IHC、液體胃轉(zhuǎn)運試驗（liquid gastric transit test）分別檢測基因Sox6敲除小鼠的腸神經(jīng)元多樣性和胃功能，發(fā)現(xiàn)ENS中Sox6的缺失減少了胃多巴胺神經(jīng)元的數(shù)量，并延遲了胃排空。（孫佳惠/Lina）

研究路線和主要發(fā)現(xiàn)

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；生命發(fā)育，生命機理；小鼠，人，腸神經(jīng)系統(tǒng)，發(fā)育，Sox6，RNA-seq，組織化學(xué)；Fatima Memic, Viktoria Knoflach, Ulrika Marklund; Karolinska Institute; Sweden.

Lgr5+：一種新發(fā)現(xiàn)的、外形類似上皮細胞的干細胞

Nature Communication [IF: 14.919]

①激光捕獲顯微切割技術(shù)（Laser Capture Microdissection，LCM）分離小鼠（5只）沿空腸隱窩-絨毛軸（jejunum crypt-villus axis）的4個基質(zhì)區(qū)（c：隱窩，vb：絨毛底部，vc：絨毛中心，vt：絨毛尖端），并進行scRNA-seq，提供了一個小腸間質(zhì)的空間單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，并揭示了Lgr5+腸絨毛尖端特絡(luò)細胞（villus tip telocytes，VTTs）調(diào)控沿絨毛軸的上皮細胞基因的表達程序。

② 鑒定到位于不同的隱窩絨毛區(qū)的4個間充質(zhì)細胞群：隱窩細胞、腸系膜成纖維細胞、肌成纖維細胞、VTTs。

③ VTTs位于腸絨毛尖端，是一種新的表達上皮干細胞標志物的腸絨毛尖端特絡(luò)細胞Lgr5的細胞亞群；不同于隱窩Lgr5干細胞，VTTs表達分泌Bmp2、Bmp4，以及非典型Wnt5a配體，并通過這些通路調(diào)控細胞穩(wěn)態(tài)。

④ 在Lgr5–GFP-DTR轉(zhuǎn)基因小鼠模型中，利用白喉毒素（diphtheria toxin）剝離了Lgr5陽性細胞包括VTTs，導(dǎo)致絨毛尖端腸細胞基因和嘌呤代謝相關(guān)基因（Egfr、Cdh1、Klf4、Fos、Nt5e、Ada和Slc28a2）的表達水平下調(diào)；而3周后，VTTs細胞重新出現(xiàn)后，相關(guān)基因表達得到恢復(fù)，說明VTTs調(diào)控腸絨毛尖端的上皮細胞基因表達程序。（丁曉燕/Lina）

VTTs實現(xiàn)了從規(guī)范到非規(guī)范Wnt信號的空間轉(zhuǎn)換

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；生命機理；小鼠，腸，腸絨毛尖端，Lgr5，基因表達調(diào)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.

腸上皮細胞產(chǎn)生的凝血酶調(diào)控腸粘膜上生物膜 

Nature Communications [IF: 14.919]

① 結(jié)合熒光檢測、熒光原位雜交（FISH）和16S rDNA測序等方法，分析來自人腸、皮膚、肝和肺的上皮細胞系，以及來自人和小鼠的結(jié)腸組織細胞，確定了腸上皮細胞中凝血酶的存在，并揭示了凝血酶對黏膜生物膜的調(diào)控機制。

② 熒光檢測發(fā)現(xiàn)，健康人和小鼠結(jié)腸上皮細胞均可產(chǎn)生活性凝血酶。

③ 無菌小鼠結(jié)腸中凝血酶mRNA表達顯著降低，表明結(jié)腸黏膜凝血酶表達受到共生菌群存在的調(diào)節(jié)。

④ 抑制結(jié)腸內(nèi)的凝血酶活性，會引起如隱窩延長、杯狀細胞區(qū)域缺失等腸道損傷，并改變宿主-微生物群相關(guān)基因（如Camp、Muc2、Tff3）的表達；同時，破壞了微生物群生物膜的空間分割狀態(tài)，進而允許細菌入侵黏膜層并分布在上皮細胞上。

⑤ 凝血酶在粘膜表面發(fā)揮保護作用，其通過切割微生物群生物膜衍生蛋白來維持粘膜穩(wěn)態(tài)，從而防止生物膜與組織的接觸，從而限制細菌的入侵。（王靚/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；生命機理；小鼠，結(jié)腸，腸上皮，粘膜，凝血酶，微生物；Jean-Paul Motta, Alexandre Denadai-Souza, Nathalie Vergnolle; Université de Toulouse; France.

消化腺發(fā)育生物學(xué)與病理

Development Biology and Pathology of Digestive Glands

細胞基質(zhì)與細胞間粘附驅(qū)動復(fù)層上皮組織芽端分裂

Cell [IF: 41.582]

① 使用雙光子顯微鏡，對體外培養(yǎng)的小鼠胚胎唾液腺進行長達兩天的高時空分辨率3D活體拍攝，通過追蹤細胞在三維空間中的運動軌跡，開發(fā)了活體器官成像（volumetric live-organ imaging）方案，揭示了細胞-細胞粘附和細胞-基質(zhì)粘附驅(qū)動復(fù)層上皮（stratified epithelia）組織芽端形態(tài)發(fā)生的自組織機制（self-organizing mechanism）。

② 數(shù)學(xué)模型和實驗擾動證實，外周上皮細胞的弱細胞-細胞粘附和強細胞-基質(zhì)粘附的結(jié)合驅(qū)動了表層上皮細胞片的擴張和折疊，進而促進芽端分裂（budding morphogenesis）。

③ scRNA-seq和smFISH（single-molecule RNA fluorescence in situ hybridization）分析正在進行分枝形態(tài)形成的小鼠胚胎唾液腺上皮，獲得6,943個細胞，聚類為7個細胞群，發(fā)現(xiàn)表層上皮和內(nèi)層上皮細胞對應(yīng)不同的細胞群，揭示了復(fù)層上皮芽端細胞的不同空間轉(zhuǎn)錄特征。

④ 使用一種與唾液腺細胞無關(guān)的癌細胞系（DLD-1）重建了分枝形態(tài)建成的早期步驟，即芽端分裂形態(tài)發(fā)生，這依賴于β1-整合素（β1-integrin）介導(dǎo)的細胞-基質(zhì)粘附，確定了鈣黏附蛋白（E-cadherin）表達減少的細胞通過細胞-細胞粘附分化到細胞表面，然后與基膜（basement membrane）相互作用促進出芽。（黎萬順/Lina）

研究設(shè)計與主要發(fā)現(xiàn)

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；生命機理；小鼠，胚胎，唾液腺，細胞間粘附, 萌芽上皮形態(tài)，scRNA-seq；Shaohe Wang, Kenneth M. Yamada; National Institute of Dental and Craniofacial Research, National Institutes of Health, USA.

人類胰腺的單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜

Cell Systems [IF：10.304]

① 開發(fā)了一種高通量單細胞測序方法——SORTseq（SOrting and Robot-assisted Transcriptome SEQuencing），使用FACS、機器學(xué)習(xí)和CEL-Seq2（multiplexed linear amplification2），得到5個供體胰腺的4,262個單細胞（~1,958個基因/細胞），繪制了人類胰腺的單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，有助于更深入地理解胰腺生物學(xué)和糖尿病病理。

② 開發(fā)了推斷干細胞群的StemID聚類方法，發(fā)現(xiàn)了GCG（alpha細胞）、INS（beta細胞）、SST（delta細胞）、PPY（PP細胞）、PRSS1（腺泡細胞）、KRT19（導(dǎo)管細胞）和COL1A1（間充質(zhì)）的簇狀特異性表達。

③ 鑒定每個簇主要差異表達基因，發(fā)現(xiàn)了新的細胞類型特異性基因，如ALDH1A1在alpha細胞中富集，并與GCG共表達；鑒定了先前未報道過的3種alpha細胞（CRYBA2、TM4SF4和ALDH1A1）和6種beta細胞（ID1、RBP4、SQSTM1、MT1X、FTL和FTH1）的細胞類型特異性基因。

④ 胃饑餓素受體（ghrelin receptor）GHSR只在delta細胞中表達，且參與糖尿病和葡萄糖代謝。

⑤ 免疫熒光和成像流式細胞術(shù)證實，細胞表面標記物CD24和TM4SF4（四酯蛋白家族成員，胰腺發(fā)育有關(guān)）的表達可用于高純度的活alpha和beta細胞的分類。（陳軍平/Lina）

研究設(shè)計與主要發(fā)現(xiàn)

A single-cell transcriptome atlas of the human pancreas.

2016.09.29，DOI：10.1016/j.cels.2016.09.002

研究文章；生命結(jié)構(gòu)；人，胰腺，細胞類型，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.

單分子fliFISH證實胰島β細胞具有徑向和異質(zhì)性的基因表達模式

Diabetes [IF: 9.461]

① 使用基于波動定位成像的FISH （fluctuation localization imaging-based fluorescence in situ hybridization，fliFISH）技術(shù)，定量分析小鼠胰島冷凍切片中特定基因在單細胞水平表達，評估它們在胰島空間環(huán)境中的異質(zhì)性。

② 對8周齡野生型C57BL/6J小鼠胰臟，免疫熒光染色和fliFISH分析發(fā)現(xiàn)胰島細胞相關(guān)關(guān)基因Ins2（胰島素2）、MafA（蛋白A）、Ucn3（尿皮質(zhì)激素3）和Rgs4（G蛋白信號通路的調(diào)節(jié)因子4）的轉(zhuǎn)錄表達拷貝數(shù)差異性較大；其中Ins2表達差異跨越近兩個數(shù)量級，但仍小于RNA-Seq中觀察到的差異，可能由于聚集的多個轉(zhuǎn)錄本被誤算成了單個轉(zhuǎn)錄本，反映了FISH的局限性。

③ fliFISH方法證實在胰島α細胞和β細胞中的確均存在Rgs4轉(zhuǎn)錄表達，且表達Ins2的所有β細胞也均表達了較低水平的MafA。

④ 在胰島空間環(huán)境下Ins2、MafA和Ucn3表達檢測發(fā)現(xiàn)，證實外圍細胞相比，位于胰島中心的細胞往往具有相對較高的轉(zhuǎn)錄本數(shù)量（尤其是Ins2較為顯著），這可能反映了沿胰島徑向軸呈現(xiàn)不同的β細胞成熟狀態(tài)。（葉晶晶）

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；生命結(jié)構(gòu)；小鼠，胰島，胰島β細胞，空間轉(zhuǎn)錄組，fliFISH，單細胞；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細胞的區(qū)帶性特征

Cell Reports [IF：9.423]

① smFISH分析成年db/db小鼠（9~17周；高胰島素血癥和高血糖癥）胰腺組織，以揭示胰腺泡細胞基因表達的空間異質(zhì)性，以及腺泡細胞在參與胰島形態(tài)變化過程中的作用。

② 胰島周圍的腺泡細胞表現(xiàn)出一種獨特的帶狀基因表達特征，包括胰蛋白酶家族基因的上調(diào)和mTOR（mammalian target of rapamycin）活性的升高。

③ 帶狀基因表達程序可能是由胰島細胞分泌的CCK（編碼腸內(nèi)分泌激素膽囊收縮素）誘導(dǎo)，并進而可以促進胰島的擴張。（黃可/Lina）

主要發(fā)現(xiàn)示意圖

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，胰島，腺泡細胞，糖尿病，smFISH；Egozi A, Shalev Itzkovitz; Weizmann Institute of Science, Israel.

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網(wǎng)址: 消化道和消化腺的發(fā)育與結(jié)構(gòu) http://www.gysdgmq.cn/newsview712573.html