Nature | 人类近端小肠空间表达图谱

撰文 | 十一月

小鼠小肠基因在肠隐窝-肠绒毛轴中的基因表达表现出空间异质性，但是在人体中是否存在类似的空间异质性尚不清楚。

近日，以色列魏茨曼研究所Shalev Itzkovitz研究组在Nature上发表了文章A spatial expression atlas of the adult human proximal small intestine，通过空间转录组学、空间蛋白质组学以及单分子荧光原位杂交实验全面构建了成体近端小肠空间表达图谱，为理解成体小肠生物学提供了详细的资料平台。

小肠是一个高度结构化的器官，由重复的隐窝绒毛单位组成。在小鼠中隐窝绒毛中的基因表达模式表现出显著的空间异质性。隐窝绒毛的结构由血流以及形态生长因子BMP以及WNT形成梯度所极化。最近通过类器官的体外研究表明BMP驱动的空间异质性模式也存在于人类的小肠中，单细胞图谱也揭示了人类肠道谱系的异质性【1-3】。然而，获得小肠组织高分辨率形态学完整性的挑战阻碍了对成体小肠进蛋白空间解析表达的实现。为此，作者们使用了10x Visium空间转录组学、蛋白质组学以及的单分子荧光原位杂交的方法对成体小肠组织进行了表达图谱的构建。

为了实现对人类小肠基因表达图谱的构建，作者们收集了胰十二指肠切除术的病人样本，在这些手术过程中，由于胰腺病变，胰腺头部与近端小肠会被一起移除。但是大多数病例中，被移除的近端小肠被认为是非病变区域。作者们共收集了8位病人的样本，并对这些新鲜冻存的样本进行空间转录组分析，共获得了17960个转录特征点，平均每个病人样本的转录特征点中位数是2797，每个特征点中的唯一分子标识符数为3180。

为了构建空间转录组参考框架，作者们根据H&E染色图像手动标记了隐窝位点，同时也对每个隐窝近距离的其他隐窝的位置进行标记。为了对基因表达空间分布模式，作者们使用了的Kruskal-Wallis检验鉴定组织轴线中显著表达的基因。作者们发现多种肠道细胞特异性细胞表达，比如REG1A和的DMBT1特异性表达在隐窝中，PIGR以及GSTA1表达在绒毛底部，DGAT1以及RBP2表达在绒毛中间区域，APOA1以及AQP10主要表达在绒毛顶部。进一步地，通过单分子荧光原位杂交的实验对小肠隐窝绒毛基因表达特征进行了可视化验证。

之后作者们对人类小肠空间转录中脂肪酸吸收以及离子代谢信号通路特征进行刻画。富含甘油三酯的脂蛋白在多步骤中组装形成，初始步骤形成脂滴，这些脂滴会储存消化后的脂肪酸，并将甘油三酯转移到新生的乳糜颗粒中，这些过程相关的基因表达会沿着绒毛轴空间分布。对于脂滴形成相关的基因包括脂滴组装因子TMEM159、脂滴维持因子BSCL2主要在隐窝-绒毛底部区域表达，编码甘油三酯再合成的基因比如MOGAT2、MOGAT3以及DGAT1在绒毛中部区域表达，与乳糜颗粒组装相关的基因MTTP、APOB以及DGAT2则在绒毛顶端表达。另外，通过对对离子代谢相关的基因的表达，作者们也发现了隐窝绒毛轴中具有特定的空间分布模式。

之后，作者们对人类以及小鼠肠道上皮细胞区带空间分布特征进行比较。作者们将该工作中空间转录组结果与先前发表的单细胞RNA-seq测序结果进行对比，发现某些基因在小鼠和人类小肠中的表达存在大的差异，比如角蛋白基因KRT8以及KRT18在小鼠中的表达相较于人类更偏向于绒毛顶端。但总体来说病人样本中小肠基因表达的空间分布特征多样性并不受到性别、化疗、年龄以及身体质量指数的影响，小鼠和人类种属之间的差异更大。之后，作者们还对小肠绒毛中间质细胞以及免疫细胞的空间分布特征也进行了总结。

小鼠小肠的结构具有典型的直指状结构特征，人类的肠道则有一层额外的圆形折叠。组作者们在组织学图像分析中发现人类小肠具有锯齿状绒毛特征，富集在圆形皱褶顶部。绒毛分支长度为115±37µm，通过Ki-67染色并未观察到分支底部上皮细胞分裂。通过对人体小肠二维切片发现绒毛沟槽呈现叶子形状，而且两个绒毛连接区域存在更大的分叉。在年轻患者的健康肠道活检中可以发现锯齿状绒毛的存在，但是在不同年龄的小鼠小肠中均未见到锯齿状绒毛的存在。作者们通过空间转录组分发现了人体小肠绒毛皱褶底部MALAT1以及IGHA2这两个基因表达显著提高。人体小肠中圆形皱褶顶部锯齿状绒毛的形态复杂性与小鼠的小肠绒毛之间存在明显的不同，这可能与其生物学功能存在联系。

总的来说，作者们通过对成体小肠的空间转录组分析、蛋白质组学分析以及单分子荧光原位杂交分析对小肠隐窝绒毛轴线上基因分布空间特征提供高分辨率的数据平台，同时也为人体小肠绒毛与小鼠之间的基因表达以及组织形态差异进行了比较，为人体小肠的研究提供了新的见解。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07793-3

制版人：十一

参考文献

1. Elmentaite, R. et al. Cells of the human intestinal tract mapped across space and time.Nature597, 250–255 (2021)

2. Holloway, E. M. et al. Mapping development of the human intestinal niche at single-cell resolution.Cell Stem Cell28, 568–580 (2021).

3. Fawkner-Corbett, D. et al. Spatiotemporal analysis of human intestinal development at single-cell resolution.Cell184, 810–826 (2021)

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