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Nature:重大进展!构建出人类肝脏的完整细胞图谱,鉴定出新的肝细胞亚型

来源:本站原创 2019-07-15 15:36

2019年7月15日讯/生物谷BIOON/---肝脏是人体最大、功能最广泛的器官之一。它将我们食物中的糖、蛋白和脂肪转化为对身体有用的物质,并将它们释放到细胞中。肝脏除了在人体新陈代谢中发挥作用外,还是一种免疫器官,对血液的排毒是必不可少的。最引人注目的是,当仅为原始质量的25%时,肝脏是唯一能够恢复到原来大小的内脏器官。

肝病是世界上最大的健康问题之一,也是死亡的主要原因。在德国,至少有500万患者患有脂肪肝、肝癌或肝炎。尽管肝脏对人类健康具有极大的重要性,但是健康和患病组织中肝细胞类型的多样性以及相关的分子和细胞过程尚未得到充分研究。
图片来自MPI of Immunobiology and Epigenetics, Freiburg, Grün。

如今,在一项新的研究中,来自德国弗赖堡大学、马克斯普朗克免疫生物学与表观遗传学研究所和法国斯特拉斯堡大学的研究人员提供了人类肝脏组织的完整细胞图谱。通过使用所谓的单细胞RNA测序技术,马克斯普朗克免疫生物学与表观遗传学研究所的Dominic Grün团队与斯特拉斯堡大学的Thomas F. Baumert团队成功地构建出健康人肝脏中细胞群体的详细图谱。基于对来自9名人类供者的1万个细胞的分析,这种细胞图谱显示了所有重要的肝细胞类型,包括肝实质细胞(hepatocyte,肝脏中的主要代谢细胞)、血管内皮细胞、肝脏驻留巨噬细胞和其他的免疫细胞类型,以及胆管细胞和肝上皮祖细胞。利用这些数据,人们可以以前所未有的分辨率捕获细胞类型和细胞状态的多样性,并了解它们在发育过程中或疾病进展过程中如何发生变化。相关研究结果于2019年7月10日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“A human liver cell atlas reveals heterogeneity and epithelial progenitors”。

细胞指纹

这些研究人员还在所谓的相同细胞类型的个体细胞中发现了惊人的多样性。他们发现了肝实质细胞、血管内皮细胞和巨噬细胞的新亚型:尽管它们的形态外观几乎没有差异,但是它们具有不同的基因表达谱。这些发现是由于实验和计算单细胞分析方法取得的重大进展而得以实现的,这些方法能够在高分辨率下检测细胞。

在单细胞RNA测序中,将待研究的器官组织解离成单个细胞;然后将这些细胞分离并分别测序。这种测序用于确定每个基因产生的多少个mRNA分子存在于细胞中。Grün解释道,“mRNA将储存在DNA中的蓝图传送到蛋白制造工厂中。通过测量细胞在某个时间点中存在哪些RNA分子,我们能够鉴定出哪些基因是有活性的。这为我们提供了一种指纹来让我们全面了解每个细胞的本质。这能够让我们理解细胞执行哪些功能,它如何受到调节,以及当疾病发生时会发生什么。”

以这种方式获得的数据不仅极其广泛,而且非常复杂,这是因为必须同时定量确定和解释数千个细胞中数千个基因产生的RNA分子。近年来,Grün开发了量身定制的算法,这有助于他和他的团队分析这些不同的细胞类型并了解它们的发育途径。

鉴定出肝细胞的祖细胞

利用这些细胞指纹,Grün团队还鉴定出一个胆管细胞亚群的之前未知的特性。胆道贯穿整个肝脏,将胆汁输送到胆囊。论文第一作者Nadim Aizarani解释道,“我们的数据显示这个罕见亚群中的细胞是前体细胞或祖细胞。它们不仅能够形成类器官(即干细胞的一种显著特征),而且还有潜力分化为不同的细胞类型。”当在培养基中培养时,这些祖细胞要么分化成肝实质细胞,要么分化为胆管细胞。Grün团队确信这种祖细胞群体在肝脏再生中起着重要作用,并且还可能参与肝脏疾病或肿瘤的产生。

癌症患者的重要参考数据

因此,细胞图谱和单细胞RNA测序方法在癌症治疗中具有巨大的潜力。当前分析患病组织(比如肿瘤组织)的方法仅提供了整个组织样本中的活性基因水平的平均值,因此仅提供了肿瘤分子谱的平均值。Grün 解释道,“稀有细胞类型甚至单个细胞的贡献在这个平均值中都会丢失。不过,可能恰恰是这些少量的细胞决定着组织是否保持健康或发生癌变。”

但是,另一方面,单细胞测序捕获待检样品中每个健康或患病细胞的分子特征。通过与健康组织的参考数据进行比较,科学家们能够靶向肿瘤细胞的致病性分子特性,并且可能有助于在未来开发出改进的治疗方案。

这些研究人员在他们的最新研究中证实这种针对人类肝脏的细胞图谱将成为肝癌研究的重要参考数据库。他们将来自这种细胞图谱的健康组织数据与来自肝细胞癌(最常见的原发性肝癌形式)的细胞进行了比较。通过这种比较,他们得出一些结论,比如鉴定出新的肿瘤细胞标志物,以及肿瘤中不同细胞类型的基因活性扰动模式。Grün说道,“我认为利用单细胞测序研究癌症将有助于进一步提高诊断水平,最终进一步改善肿瘤治疗。在未来,我们将不只是能够发现肿瘤中不同细胞类型之间可能存在的相互作用。随着疾病的进展,还可以观察到这些相互作用。”

这些研究人员相信,他们构建出的人类肝脏的细胞图谱和开发出的方法已在生物医学中奠定了重要的基础,这将在分子水平上推进对肝病的研究和理解,从而可能在未来开发出新的肝病治疗策略。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Nadim Aizarani et al. A human liver cell atlas reveals heterogeneity and epithelial progenitors. Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1373-2.

Scientists discover previously unknown subtypes of liver cells in health and disease


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