Cell Res | 马燕琳/陈捷凯/裴端卿通过单细胞RNA测序技术剖析了人类胚胎的早期肺发育

肺是人体的主要呼吸器官，其中近端气道和远端肺泡分别负责空气传导和气体交换。然而，在人类肺发育的胚胎阶段，近端-远端模式的调节在很大程度上是未知的。

2023年4月21日，海南医学院马燕琳、Shangtao Cao、中国科学院广州生物医药与健康研究院陈捷凯及西湖大学裴端卿合作在Cell Research （IF=46）在线发表了题为“Single-cell RNA sequencing reveals the developmental program underlying proximal–distal patterning of the human lung at the embryonic stage”的研究论文，该研究利用单细胞RNA测序技术研究了受精后4-8周(卡内基期12-21)人类胚胎的早期肺发育，并获得了169,686个细胞的转录组图谱。在肺器官发生开始的第4周，该研究观察到可识别的近端和远端上皮的基因表达模式。此外，该研究还发现了近端(如THRB和EGR3)和远端(如ETV1和SOX6)上皮模式的新型转录调节因子。

该研究揭示了各种基质细胞群，包括早期胚胎BDNF+群体，提供了具有空间特异性的近端-远端模式生态位。此外，该研究结果阐明了肺发育早期气道和血管平滑肌祖细胞的细胞命运、分化和成熟。总之，该研究扩大了早期胚胎阶段人类肺发育生物学的范围。内在转录调控因子和新的生态位提供者的发现加深了对人类肺发育中上皮近端-远端模式的理解，为再生医学开辟了新的途径。

肺作为主要的呼吸器官，对陆生脊椎动物的有氧代谢至关重要。肺发育是一个由内在分子机制和微环境协调的连续分支形态发生过程。研究肺器官发生的机制有助于组织工程和再生医学，包括呼吸道疾病的生态位重建。

人的肺在妊娠4周左右发育为前肠内胚层的腹侧外生物，被中胚层包围。在形态学上，发育过程经历了五个不同的阶段：胚胎期(4-7周)、假腺期(5-17周)、管状期(16-26周)、囊状期(26-38周)和肺泡期(36周- 3岁)。在此过程中，肺内胚层祖细胞分化为近端气道上皮细胞类型，如纤毛细胞、基底细胞和分泌细胞，以及远端肺泡细胞类型。确定近端-远端模式对肺形态发生至关重要。在小鼠肺假腺发育阶段，Sox2+和Sox9+细胞分别主要分布在近端和远端上皮。然而，在人类肺发育过程中，近端上皮表达SOX2，而远端上皮共表达SOX2和SOX9，表明不同物种间存在发育差异。

近年来，在单细胞水平上发现了成人假腺肺的细胞异质性，揭示了气道和肺泡细胞的分化细节。然而，在人类的早期阶段(即胚胎和早期假腺阶段)，近端-远端模式是如何开始的尚不清楚。该研究对受精后4-8周的人胚胎肺进行了单细胞RNA测序(scRNA-seq)。该研究发现了新的细胞类型特异性标记，包括胚胎上皮转录因子(TFs)，并绘制了器官发生起始细胞类型之间的生态位相互作用组。

出现在人类胚胎肺发育的起始阶段主要的肺细胞类型（图源自Cell Research ）

该研究报告了人类胚胎肺的单细胞转录组图谱，其中包括从CS12到CS21的约170,000个细胞。该研究鉴定了6个主要的细胞簇，进一步可划分为33个细胞亚型，并鉴定了一系列新的细胞类型特异性特征。更重要的是，利用这个数据集，该研究系统地研究了人类肺近端-远端模式，发现它早在肺器官发生开始的第4周就发生了。基于转录组调控分析，该研究确定了几个新的TF负责驱动近端-远端模式。

此外，研究结果显示BDNF+群体是一种新的胚胎基质细胞亚型，可产生丰富的生态位因子，如BDNF、FGF10、WNT2B和LAMA5。最后，该研究解读了两种不同的SMC亚型(VSMC和ASMC)的发育程序和特征，并揭示了它们在建立上皮形态发生微环境中的作用。这些分析提供原肠胚形成与胎儿肺发育之间的重要联系，加深对人类肺生物学的理解，为肺器官发生研究和再生医学，特别是基于干细胞的策略提供了有用的资源。

值得注意的是，该研究观察到在肺发育开始时存在内胚层来源的上皮祖细胞和中胚层/外胚层来源的细胞类型。早期肺发育中细胞起源的丰富多样性表明，在器官发生和近端-远端模式上，来自三个胚层的不同细胞类型的协调。近年来，在单细胞分辨率下对人肺细胞图谱进行了从假腺期到囊状期的表征。然而，由于细胞覆盖率和每个细胞检测到的基因不足，在他们的研究中可能会遗漏关键的早期胚胎发育事件。此外，从第4周开始的图谱将作为未来肺器官发生建模的关键基准。该研究发现的早期细胞类型，如生态位细胞和祖细胞，可以优化目前体外类器官生成的方案。从该图谱中鉴定出的新型祖细胞可促进移植技术用于治疗由COVID-19等疾病引起的肺缺陷等疾病。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41422-023-00802-6

转自：“iNature”微信公众号

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