時(shí)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(xì)胞時(shí)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(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜

Nature Cell Biology [IF: 28.824]

① 人妊娠6~25周（估計(jì)受精時(shí)間后數(shù)周）的胚胎中食道、胃、小腸和大腸，以及2個(gè)成人的大腸組織，scRNA-seq獲取到5,277個(gè)單細(xì)胞，定義了40種不同的細(xì)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(dá)圖譜及其信號(hào)調(diào)控機(jī)制，不同細(xì)胞類型的精準(zhǔn)發(fā)育路徑和基因表達(dá)特征，并進(jìn)一步詳細(xì)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(xì)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(xì)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(gè)消化道器官的基本基因表達(dá)特征仍然非常相似，之間僅有259個(gè)差異表達(dá)基因；而到晚期，4個(gè)器官之間差異很大，差異表達(dá)基因增加到1,193個(gè)。

④ 晚期，大腸中的細(xì)胞類型以及其基因表達(dá)模式與成年人階段已經(jīng)很接近，其中一些特定細(xì)胞類型的關(guān)鍵基因的表達(dá)也趨于一致，說明在胚胎晚期大腸的主要細(xì)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(gè)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(hào)通路中，IHH配體在大腸和小腸上皮細(xì)胞中高表達(dá)，且此通路可能間接調(diào)控間充質(zhì)與上皮細(xì)胞狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換；Wnt、FGF、TGF-β和BMP等信號(hào)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(jì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)空轉(zhuǎn)錄調(diào)控

Gastroenterology [IF: 22.682]

① 對(duì)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(xì)胞、整個(gè)ENS（包含未成熟神經(jīng)元）、周胃腸道組織進(jìn)行RNA-seq和免疫組織化學(xué)（immunohistochemistry，IHC）分析，繪制了調(diào)控ENS細(xì)胞轉(zhuǎn)錄的多樣性，和發(fā)育相關(guān)信號(hào)因子的時(shí)空表達(dá)模式，發(fā)現(xiàn)SOX6表達(dá)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(gè)具有不同時(shí)空表達(dá)模式的轉(zhuǎn)錄和信號(hào)因子，且大多數(shù)可在人ENS中檢測(cè)到，表明具有跨物種保守性；共識(shí)別出16條未被發(fā)現(xiàn)過的、ENS發(fā)育相關(guān)的信號(hào)通路（如FGF和Eph/ephrin通路）；使用IHC方法驗(yàn)證了關(guān)鍵基因和通路的時(shí)空表達(dá)模式。

③ 根據(jù)其在腸內(nèi)前體細(xì)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(dòng)態(tài)性表達(dá)，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(dòng)態(tài)表達(dá)型，以利于進(jìn)一步分析其功能。

④ IHC、液體胃轉(zhuǎn)運(yùn)試驗(yàn)（liquid gastric transit test）分別檢測(cè)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(jī)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(xì)胞的干細(xì)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(gè)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(jìn)行scRNA-seq，提供了一個(gè)小腸間質(zhì)的空間單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，并揭示了Lgr5+腸絨毛尖端特絡(luò)細(xì)胞（villus tip telocytes，VTTs）調(diào)控沿絨毛軸的上皮細(xì)胞基因的表達(dá)程序。

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

③ VTTs位于腸絨毛尖端，是一種新的表達(dá)上皮干細(xì)胞標(biāo)志物的腸絨毛尖端特絡(luò)細(xì)胞Lgr5的細(xì)胞亞群；不同于隱窩Lgr5干細(xì)胞，VTTs表達(dá)分泌Bmp2、Bmp4，以及非典型Wnt5a配體，并通過這些通路調(diào)控細(xì)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(xì)胞包括VTTs，導(dǎo)致絨毛尖端腸細(xì)胞基因和嘌呤代謝相關(guān)基因（Egfr、Cdh1、Klf4、Fos、Nt5e、Ada和Slc28a2）的表達(dá)水平下調(diào)；而3周后，VTTs細(xì)胞重新出現(xiàn)后，相關(guān)基因表達(dá)得到恢復(fù)，說明VTTs調(diào)控腸絨毛尖端的上皮細(xì)胞基因表達(dá)程序。（丁曉燕/Lina）

VTTs實(shí)現(xiàn)了從規(guī)范到非規(guī)范Wnt信號(hào)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(jī)理；小鼠，腸，腸絨毛尖端，Lgr5，基因表達(dá)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(xì)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(cè)、熒光原位雜交（FISH）和16S rDNA測(cè)序等方法，分析來自人腸、皮膚、肝和肺的上皮細(xì)胞系，以及來自人和小鼠的結(jié)腸組織細(xì)胞，確定了腸上皮細(xì)胞中凝血酶的存在，并揭示了凝血酶對(duì)黏膜生物膜的調(diào)控機(jī)制。

② 熒光檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，健康人和小鼠結(jié)腸上皮細(xì)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(dá)顯著降低，表明結(jié)腸黏膜凝血酶表達(dá)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(huì)引起如隱窩延長、杯狀細(xì)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(dá)；同時(shí)，破壞了微生物群生物膜的空間分割狀態(tài)，進(jìn)而允許細(xì)菌入侵黏膜層并分布在上皮細(xì)胞上。

⑤ 凝血酶在粘膜表面發(fā)揮保護(hù)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(xì)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(jī)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(xì)胞基質(zhì)與細(xì)胞間粘附驅(qū)動(dòng)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(duì)體外培養(yǎng)的小鼠胚胎唾液腺進(jìn)行長達(dá)兩天的高時(shí)空分辨率3D活體拍攝，通過追蹤細(xì)胞在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡，開發(fā)了活體器官成像（volumetric live-organ imaging）方案，揭示了細(xì)胞-細(xì)胞粘附和細(xì)胞-基質(zhì)粘附驅(qū)動(dòng)復(fù)層上皮（stratified epithelia）組織芽端形態(tài)發(fā)生的自組織機(jī)制（self-organizing mechanism）。

② 數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)擾動(dòng)證實(shí)，外周上皮細(xì)胞的弱細(xì)胞-細(xì)胞粘附和強(qiáng)細(xì)胞-基質(zhì)粘附的結(jié)合驅(qū)動(dòng)了表層上皮細(xì)胞片的擴(kuò)張和折疊，進(jìn)而促進(jìn)芽端分裂（budding morphogenesis）。

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

④ 使用一種與唾液腺細(xì)胞無關(guān)的癌細(xì)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(xì)胞-基質(zhì)粘附，確定了鈣黏附蛋白（E-cadherin）表達(dá)減少的細(xì)胞通過細(xì)胞-細(xì)胞粘附分化到細(xì)胞表面，然后與基膜（basement membrane）相互作用促進(jìn)出芽。（黎萬順/Lina）

研究設(shè)計(jì)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(jī)理；小鼠，胚胎，唾液腺，細(xì)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(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜

Cell Systems [IF：10.304]

① 開發(fā)了一種高通量單細(xì)胞測(cè)序方法——SORTseq（SOrting and Robot-assisted Transcriptome SEQuencing），使用FACS、機(jī)器學(xué)習(xí)和CEL-Seq2（multiplexed linear amplification2），得到5個(gè)供體胰腺的4,262個(gè)單細(xì)胞（~1,958個(gè)基因/細(xì)胞），繪制了人類胰腺的單細(xì)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(xì)胞群的StemID聚類方法，發(fā)現(xiàn)了GCG（alpha細(xì)胞）、INS（beta細(xì)胞）、SST（delta細(xì)胞）、PPY（PP細(xì)胞）、PRSS1（腺泡細(xì)胞）、KRT19（導(dǎo)管細(xì)胞）和COL1A1（間充質(zhì)）的簇狀特異性表達(dá)。

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

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

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

研究設(shè)計(jì)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(xì)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(shí)胰島β細(xì)胞具有徑向和異質(zhì)性的基因表達(dá)模式

Diabetes [IF: 9.461]

① 使用基于波動(dòng)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(xì)胞水平表達(dá)，評(píng)估它們?cè)谝葝u空間環(huán)境中的異質(zhì)性。

② 對(duì)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(xì)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(hào)通路的調(diào)節(jié)因子4）的轉(zhuǎn)錄表達(dá)拷貝數(shù)差異性較大；其中Ins2表達(dá)差異跨越近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，但仍小于RNA-Seq中觀察到的差異，可能由于聚集的多個(gè)轉(zhuǎn)錄本被誤算成了單個(gè)轉(zhuǎn)錄本，反映了FISH的局限性。

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

④ 在胰島空間環(huán)境下Ins2、MafA和Ucn3表達(dá)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，證實(shí)外圍細(xì)胞相比，位于胰島中心的細(xì)胞往往具有相對(duì)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(xì)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(xì)胞，空間轉(zhuǎn)錄組，fliFISH，單細(xì)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(xì)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(xì)胞基因表達(dá)的空間異質(zhì)性，以及腺泡細(xì)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(xì)胞表現(xiàn)出一種獨(dú)特的帶狀基因表達(dá)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(dá)程序可能是由胰島細(xì)胞分泌的CCK（編碼腸內(nèi)分泌激素膽囊收縮素）誘導(dǎo)，并進(jìn)而可以促進(jìn)胰島的擴(kuò)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(xì)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://m.u1s5d6.cn/newsview712573.html