Nature丨健康人类肝脏的空间转录图谱

撰文丨章台柳

肝脏是一个多任务器官，负责维持营养稳态、产生循环蛋白、分泌胆汁酸和解毒。这些功能由肝细胞完成，它们组织成直径为 0.5 – 1 毫米的六边形肝小叶。血液从门静脉流向中央静脉，使小叶极化，形成氧气和营养物质的梯度。作为对此梯度微环境的响应，关键的肝功能在肝小叶层间呈现出空间分隔，这种现象称为肝脏分区。许多肝脏疾病，包括代谢相关脂肪性肝病、自身免疫性肝炎、胆管炎和寄生虫感染，均表现出区域化的病理模式。因此，高分辨率的人肝细胞空间表达图谱对于理解肝脏病理学至关重要 ， 但获取真正健康的人肝脏组织是一个关键挑战。

选择合适的健康参考组织对于人类细胞图谱研究至关重要。人类肝脏细胞图谱要么来自神经学死亡捐献者，要么来自肝脏病变旁组织学上表现正常的组织。尽管通常被用作健康参考，但这两种来源都有局限性。来自神经学死亡捐献者的肝脏会经历由长时间机械通气、非肠道营养和药物引起的代谢紊乱，所有这些都可能在组织采集前改变肝脏基因表达。此外，死后样本存在不同的缺血时间，导致转录物依赖性的 RNA 降解，这可以解释 RNA 测序数据中高达 40% 的变异性。同样，肝脏病变旁组织可能受到局部或全身疾病的影响，因为即使在肝外肿瘤患者中，肝脏基因表达也可能发生改变 。

近 日 ， 来自 以色列 魏茨曼科学研究所 的 Shalev Itzkovitz 团队 在 Nature 杂 志上发表文章 A spatial atlas of the healthy human liver from live donors ，利用空间转录组学以及snRNA-seq技术分析了16个肝脏样本，其中8个来自年轻的活体健康捐献者，另外8个来自肝脏病变个体，并采集了“病变旁正常”组织。与肝脏病变个体的病变旁正常组织相比，来自活体健康捐献者的肝脏显示出显著的基因表达差异。沿着肝小叶的门静脉 - 中央静脉轴，肝细胞和非实质细胞均表现出显著的分区现象，但其关键功能相较于小鼠和其他哺乳动物则向中央静脉区发生了偏移。图谱识别了早期脂肪变性肝细胞中的动态变化程序，包括核编码线粒体蛋白的减少以及线粒体编码转录本的代偿性增加。

为了构建详细的人类肝脏基因表达图谱，研究人员采集了两种手术类型的标本：活体器官捐献肝切除术（在移植前从活体捐献者中手术切除部分肝脏）和肝脏切除术（因肝脏病变而切除组织）。同时，对其他哺乳动物的肝脏进行空间转录组学分析，以识别共享和独特的分区表达模式。队列包括 8 名活体捐献者（其中 3 名表现出不同程度的轻度脂肪变性）和 8 名病变旁正常样本捐献者（其中 5 名表现出不同程度的脂肪变性， 2 名有门静脉纤维化， 1 名接受了联合肝脏离断和门静脉结扎的分期肝切除 术 ）。对新鲜冷冻样本进行 10X Visium 空间转录组学分析 ， 线性混合回归模型显示，样本类型（活体捐献者 vs. 病变旁正常组织）是基因表达变异的主要驱动因素，其影响超过年龄、性别或组织学的影响 ，即 活体捐献者肝脏、病变旁正常肝脏与神经学死亡捐献者肝脏之间 具有 显著的转录差异 。

研究人员将分析集中在活体捐献者肝脏来定义健康肝脏的分区。首先 ，在 1 724 个 肝 细胞特异性基因中，有 1 141 个显示出显著的表达差异，表明存在广泛的分区现象。其次，通过 应用两种互补的空间转录组学方法 —— MERFISH 和 Visium HD ，以及使用 高度多重免疫荧光（ PhenoCryler ） 来准确构建肝脏的分区图谱。 重建的分区图谱显示，中央静脉周围肝细胞表现出外源物代谢基因（如 CYP2E1 ）、胆汁酸生物合成基因（包括 CYP27A1 ）以及脂质生物合成基因（如 FASN 和 MLXIPL ）的表达增加。相比之下，门静脉周围肝细胞表现出免疫相关基因（包括 CRP 和 SAA1 ）以及糖异生基因 PCK1 和 ALDOB 的较高表达。值得注意的是，人类特有的线粒体糖异生基因 PCK2 显示出中央静脉周围的分区模式，这挑战了哺乳动物中糖异生仅限于门静脉周围的 观点 。主要肝脏葡萄糖转运蛋白 GLUT2 （由 SL C2A2 编码）也呈现中央静脉周围分区。免疫组织化学证实了 PCK2 和 GLUT2 蛋白在中央静脉周围的富集 。此外，信号配体和受体的分区现象也较为显著。 中央静脉周围区域富集了编码 WNT 通路组分的基因，包括配体 WNT2 和 RSPO3 以及 RSPO3 受体 LGR5 ；而门静脉周围区域则表现出编码 Notch 通路配体（ JAG1 和 JAG2 ）和受体（ NOTCH3 ）的基因表达增加， Notch 通路是肝脏发育、再生和疾病的核心通路。在转录因子水平上也观察到明显的分区现象。中央静脉周围肝细胞富集了芳烃受体 AHR （一种细胞色素 P450 外源物代谢基因的激活因子），而门静脉周围肝细胞则表达了更高水平的 Notch 激活转录因子基因 HES 1 、 HEY1 和 HEYL 。值得注意的是， HNF4A 是 一个在鼠中位于门静脉周围的关键肝脏转录因子，在人类中却表现出强烈的中央静脉周围分区 。 尽管活体捐献者肝脏与病变旁正常肝脏之间的绝对表达水平存在差异，但总体分区趋势高度相关 。 对比人类和小鼠的分区，显示出显著的差异。

非实质细胞 （ NPC ） 在介导肝功能中起着关键作用。这些细胞包括衬于主要血管（肝脏血管内皮细胞 ， LVECs ）和肝脏 sinusoidal 内皮细胞 （ LSECs ） 、 Kuffer 细胞（肝脏的驻留巨噬细胞）以及间质细胞（包括门静脉肌成纤维细胞、血管平滑肌细胞和肝星状细胞）。 为了解析人类肝脏 NPC 的特定分区特征，对 4 个 LHD 肝脏进行 snRNA - seq 生成了一个包含超过 67,000 个细胞核的图谱，广泛代表了 LSEC 、 Kuffer 细胞和成纤维细胞 。互作分析显示， 来自 LSEC 的中央静脉周围 WNT2 与肝细胞上的 WNT 受体（ FZDS ）和成纤维细胞上的 WNT 受体（ FZD1 ）之间的相互作用，以及来自成纤维细胞和 LSEC 的中央静脉周围 RSPO3 与肝细胞受体 LGR5 和 LGR4 之间的相互作用。其他相互作用提示，通过 BMP9 （由 GDF2 编码）和 BMP10 分别经由 ACVR1 和 ENG 从中央静脉周围成纤维细胞向肝细胞和 LSEC 发送信号，以及涉及 Notch 和 Ephrin 通路的多条分区的 NPC – NPC 相互作用。

代谢相关脂肪性肝病（ MASLD ）的特征是肝细胞内脂质异常积聚，影响约 25% 的人口。该疾病通过脂肪变性、炎症和纤维化程度增加的阶段进展。肝脏脂质积聚 是 由多种机制引起，包括循环脂肪酸增加、脂质输入或合成增加，以及脂质输出或分解减少。 MASLD 表现出强烈的分区性，脂质积累主要从中央静脉周围区域开始 。队列中包括 4 名脂肪变性程度不同的患者，分析显示 肝细胞中参与脂质内流或合成的基因表达降低，例如脂肪酸转运蛋白 SLC27A3 、甘油三酯合成酶 DGAT1 和胆固醇吸收基因 NPC1L1 。相反，肝细胞增加了参与β - 氧化（ DIO1 和 HSD17B4 ）和脂质分泌（ ABCB4 ）的基因表达。进一步分析在所有患者中表现出一致变化的基因 ， 观察到脂滴稳定酶基因 HSD17B13 的表达整体下降，而 ELOVL5 的表达增加，后者先前被认为与甘油三酯含量降低有关。这些结果突显了肝细胞在这些早期脂肪变性阶段为尽量减少脂质积累而进行的潜在代偿性适应。分析还发现了一些有趣的肝脏转录因子的变化，如 KLF10 和 ONECUT2 ，以及核编码线粒体蛋白的整体下降（例如，呼吸链基因 NDUFA9 、 NDUFS4 和 NDUFS8 ），但同时线粒体编码的 RNA 出现代偿性增加，如 MT-ND1 和 MT-ND4L 。

总的来说，研究通过空间转录组学和snRNA-seq技术对活体捐献者的健康人类肝脏进行分析，绘制了健康人类的肝脏空间图谱，为人类肝脏生物学研究提供了宝贵资源，并揭示了早期脂肪变性中肝细胞的空间依赖性变化。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10377-y

制版人： 十

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