【CMGH】科学家绘制出首个单细胞分辨率下完整健康肠道的综合细胞图谱！|蛋白|受体|免疫|上皮

【CMGH】科学家绘制出首个单细胞分辨率下完整健康肠道的综合细胞图谱！

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作者：Liz Zee

导读：有些人只要吃辣，就会肠胃不舒服，而有些人却可以随便吃辣；有些人可以像吃糖一样吃布洛芬，也不会出现任何副作用，而有些人吃了布洛芬之后可能会便血，而且也起不到镇痛的作用。这是为什么呢？答案很简单，因为每个人都是不同的。那么我们究竟有什么不同呢？这些不同对健康和疾病又意味着什么？要回答这些问题并不容易，但北卡罗来纳大学（UNC）医学院的Scott Magness博士的实验室能够给我们一些有趣的科学答案。

Magness实验室利用完整的人类胃肠道观察肠道所有区域的细胞类型之间的差异，阐明细胞功能，并研究这些细胞之间以及每个人之间的基因表达差异。这在世界上是首例。

“我们的实验表明，我们可以详细地了解每种细胞类型在某一重要的过程中所发挥的功能，”UNC-NC国家生物医学工程系副教授、该论文的资深作者Magness说。“我们还了解了肠道内壁如何通过受体和传感器与环境相互作用，以及药物如何与不同类型的细胞相互作用。”

近日，这项研究发表在《Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology》上，题为“A proximal-to-distal survey of healthy adult human small intestine and colon epithelium by single-cell transcriptomics”。这项研究比以往任何的研究都要精确，为更全面、综合地探索肠道健康打开了大门。

https://doi.org/10.1016/j.jcmgh.2022.02.007

我们去药店买药的时候，会看到有些药物的说明上罗列着很多可能产生的副作用，例如腹泻、呕吐、肠道出血等。而Magness实验室正是在试图了解为什么会产生这些副作用，他们深入到单个细胞的水平，从源头寻找答案。

这项研究中Magness实验室完整的胃肠道来自HonorBridge器官捐赠服务中心，Magness实验室与该中心达成研究协议，捐赠的肠道如果没有找到合适的受体，那么HonorBridge就会与Magness实验室协调，将其移植级器官用于研究。

在这项研究中，Magness实验室的重点是研究上皮细胞。和其他细胞群和微生物群一样，上皮细胞对人类健康非常重要，多年来科学家们一直在研究它。但到目前为止，研究人员只能从消化道的几个部分，通常是结肠或小肠的区域，进行米粒大小的微小活检。

Magness说，“这样的探索就像从太空观察美国，但只调查到了马萨诸塞州、俄克拉荷马州和加利福尼亚州的情况。要想真正地了解这个国家，我们需要看到它的全貌。”

“我们不仅想确定细胞的位置，还想确切地知道哪些细胞类型发挥了什么功能，以及为什么会发挥这种功能。”Magness实验室的博士后研究员Joseph Burclaff说。

过去，研究人员会将这些米粒大小的活组织切片混在一起，以识别所有上皮细胞类型，并了解这些细胞的一般特征。Magness实验室是从下消化道（小肠和结肠）的每个部分对数千个单个细胞进行采样，创建一个图谱，然后通过每个细胞表达的基因来研究这些细胞的潜在作用。

研究人员收到三个不同供体的胃肠道后，剥离上皮细胞层。然后，用酶将上皮细胞分解成单个细胞。研究小组利用测序技术来表征基因表达，首先从每个细胞中提取RNA，同时保证每个细胞都单独放置，然后对它们进行单细胞测序，从而获取每个肠道细胞表达的基因以及表达水平。

Burclaff补充说：“我们能够看到整个消化道中细胞类型的差异，我们可以看到三个不同的人的相同细胞类型中不同的基因表达水平。我们可以看到在单个细胞中打开或关闭的不同基因组。”

结肠隐窝入口处杯状细胞中的黏蛋白MUC5b（红色），杯状细胞中的黏蛋白MUC2（绿色），这表明结肠隐窝底部和顶部的黏蛋白可能不同

这项研究的一个主要问题是产生的数据量非常大。单细胞测序仅在一个细胞中就获得了大约1.1万个“数据”，而在成千上万个细胞中，每个细胞都有2万多种人类基因的不同组合。也就是说，这项研究中的12590个细胞，大约有1.4亿个数据点，而这些数据点必须要转换成可视化的格式，以便科学家们理解这大量的信息。

Magness实验室的研究生Jarrett Bliton设计了一项计算技术来过滤数据，以产生一个可管理的数据集，其中包括胃肠道所有的细胞群。Bliton通过计算在每个区域识别细胞类型，然后，他以人类可理解的方式将这些数据绘制出来。

掌握了这大量的数据后，科学家们对每种细胞类型都有了更多的了解。比如，簇状细胞是在40年前发现的，之所以这样命名，是因为它们的表面看起来好像有一簇毛发。结果发现，这些簇状细胞表达的基因与舌头味蕾上的基因相似。其他研究人员发现，这些簇状细胞能够感知到蠕虫感染，并向免疫系统发送信号。Magness实验室表明，簇状细胞中存在一组对感知和“品尝”其他肠道内容物很重要的基因，因此，它可以向免疫系统发出信号。也就是说，簇状细胞具有更广泛的功能，而不仅仅是感知肠道中是否有寄生虫。

Burclaff说，“我们不仅描绘了每一种细胞类型和它们单独表达的每一个基因，而且还研究了其潜在的功能。我们研究了消化食物的特定酶的表达位置；我们研究了具有抗炎基因表达和突触基因的细胞，肠道可能与神经相连，因此它可以与身体的其他部位‘交谈’；我们还研究了水通道蛋白，这是一种通过肠膜传递水份的蛋白质……”

他们研究了所有上皮受体——细胞表面的蛋白质，用来与其他细胞和分子以及肠道环境进行沟通。Magness及其同事可以看到哪些受体表达最多以及在哪些细胞类型中表达最多，从而描绘了细胞如何与肠道内容物（如营养物质、微生物、毒素和药物等）相互作用的新图谱。

Bliton说，“据我们所知，我们是第一个对三个完整的人类肠道进行这种分析的研究团队。我们可以观察每一种细胞类型，并预测哪些药物可能会影响到哪种细胞类型。”

例如，有一类药物可以治疗炎症性肠病；它们被设计用来攻击特定的目标，即某些引发炎症的免疫细胞。但Magness实验室发现，一些上皮细胞表达的基因与免疫细胞中表达的基因相同，那这些上皮细胞就会非常无辜地成为药物攻击的目标。这一发现表明，上皮细胞中可能存在预料之外的“脱靶”效应，并可能导致副作用。

小肠BEST4+细胞中CFTR蛋白（绿色）和药物他克莫司的主要靶点FKBP1A（红色)，都存在于人类肠道内膜的一种细胞中

“我们希望科学界、医学界和制药界都能够用到我们这一发现。”Magness说，“我们采用的分析方法可以有条理地处理每一种细胞类型，为科学家们制作了易于阅读和可访问的电子表格，并例举了几个例子，说明我们这种高分辨率、高精度的方法所带来的新发现。”

参考资料：

https://news.unchealthcare.org/2022/02/scientists-map-entire-human-gut-at-single-cell-resolution/

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。