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斯坦福大学牵头!绘制首份人类动脉血管系统细胞与转录组图谱,揭示不同部位疾病易感性的分子机制

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近日,斯坦福大学牵头的研究团队在《Cell Genomics》发表重磅成果:他们首次构建了健康人类动脉多节段的细胞与转录组图谱,通过单细胞测序结合空间转录组技术,解析了不同动脉段(如冠状动脉、升主动脉、颈动脉)的细胞组成、胚胎起源印记及疾病相关基因表达差异,为理解“为何同一根动脉的不同部位易患不同疾病”这一困扰医学界多年的问题提供了关键线索。


图形摘要

研究背景:动脉同形不同命的谜题


人类动脉的单细胞RNA与空间景观

人类大动脉(如主动脉及其分支)的形态与结构看似一致,却有着截然不同的疾病易感性:冠状动脉与颈动脉易受动脉粥样硬化侵袭,升主动脉与主动脉根是遗传性动脉瘤的重灾区,而肾下腹主动脉与肺动脉则更易因吸烟或甲基苯丙胺暴露出现病变。此前研究推测,这可能与胚胎发育起源不同或血流动力学差异有关,但缺乏健康组织的分子数据支撑。我们需要一份正常动脉的基准图谱,才能对比疾病状态下的变化,基于此,研究团队开展了此项研究,首次在健康人动脉中系统解析细胞类型与分子特征。

研究核心发现


大动脉的平滑肌细胞


人类动脉的外膜成纤维细胞

研究团队与器官捐赠网络合作,收集了6名捐赠者的9个不同动脉段(包括升主动脉、主动脉弓、降胸主动脉、肾下腹主动脉、髂动脉、冠状动脉、颈动脉、肺动脉及主动脉根)。通过优化的酶解方案(减少血管结缔组织干扰),共获得18.7万个单细胞,并结合空间转录组定位细胞位置。

核心发现一:重新定义动脉细胞类型——收缩型与微血管型平滑肌细胞

传统认知中,动脉壁的平滑肌细胞(SMC)是均一的收缩细胞,但图谱显示:

SMC分为两大亚群:介质层收缩型SMC(高表达MYH11、CNN1等成熟收缩标记)与外膜微血管型SMC(低表达收缩标记,高表达COX4I2、IGFBP4等微血管标记)。后者定位于外膜小血管,类似血管壁的周细胞,但标记基因更特异。进一步细分发现,微血管型SMC又分为两个功能不同的亚群,提示动脉壁存在更复杂的细胞异质性。

此外,成纤维细胞(占细胞总数20%)也被重新分类:研究否定了COL1A1、FSP1等传统成纤维细胞标记的特异性,筛选出PI16、SFRP2、MFAP5作为血管外膜成纤维细胞(AdvFib)的特异性标记,并发现其按胚胎起源聚类——神经嵴来源的动脉段(如升主动脉)富集TGF-β信号活跃型成纤维细胞,而体节来源的段(如降胸主动脉)富集BMP信号活跃型成纤维细胞。


跨血管的不同内皮细胞群体

核心发现二:胚胎起源主导成人血管身份——基因表达烙印终身

通过UMAP降维分析,研究团队发现:不同胚胎起源的动脉段,细胞基因表达模式高度相似。例如,均起源于神经嵴的升主动脉与颈动脉,其成纤维细胞与SMC的转录组聚类更近;而起源于体节的降胸主动脉,细胞表达模式与其他体节来源的段(如肾下腹主动脉)更接近。更关键的是,这种胚胎印记持续影响成人基因表达:研究检测到,起源于第二心场与神经嵴的动脉段,其细胞中ISL1、HAND2、MEF2C等胚胎转录因子的结合位点,在差异表达基因的调控区显著富集。这意味着,我们在胚胎期获得的分子标签,会伴随一生影响血管的基因表达与功能。


胚胎起源在成人血管身份中的核心作用

核心发现三:疾病风险藏在成纤维细胞与SMC中——非编码RNA也来搞事情

为什么不同动脉段易患不同疾病?研究聚焦差异表达基因与疾病遗传信号的关联:

  • 成纤维细胞是隐藏的关键:马凡综合征(FBN1突变)、洛伊-迪茨综合征(LOX突变)等遗传性动脉瘤的相关基因,在升主动脉(疾病易感段)的成纤维细胞中表达显著低于降胸主动脉( resistant段)。相反,导致动脉瘤风险增加的PRKG1基因,在升主动脉成纤维细胞中高表达。

  • SMC同样重要:冠状动脉与颈动脉(动脉粥样硬化易感段)的成纤维细胞与SMC中,富集了大量冠心病相关GWAS基因(如45个基因在成纤维细胞中差异表达,30个在SMC中)。

  • 非编码RNA的角色:长链非编码RNA(lncRNA)并非垃圾RNA——图谱显示,lncRNA具有强烈的细胞类型与节段特异性,且富集了冠心病相关GWAS单核苷酸多态性(SNP)。例如,部分lncRNA在动脉内膜SMC中高表达,可能参与调控SMC的表型转化(从收缩型到促炎型)。

研究还对比了男女动脉细胞的基因表达,发现超过90%的性别差异基因不在性染色体上:SMC中,男性富集与埃勒斯-当洛斯综合征相关的基因;内皮细胞(EC)中,女性富集与黄斑变性相关的基因。这解释了为何某些血管疾病(如马凡综合征、大动脉炎)存在性别偏好。


血管疾病变异在节段转录组差异中的富集


细胞类型与动脉节段特异性的非编码转录组

研究意义:从机制模糊到精准靶点

该图谱的发布,为血管疾病研究提供了正常基准与分子地图:首先,重新认识细胞角色,成纤维细胞不再是被动支持细胞,而是主动调控血管身份与疾病风险的关键玩家;其次,胚胎起源指导治疗,针对不同胚胎来源的动脉段,可设计差异化的治疗策略;最后,非编码RNA成新靶点,lncRNA的特异性表达,为开发细胞类型靶向疗法(如siRNA沉默致病lncRNA)提供了可能。

下一步,研究团队将结合疾病样本,验证这些分子差异如何导致疾病发生,最终实现血管疾病精准治疗。

https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(25)00290-3

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