Cell Metab｜基于超400万细胞构建人类胰腺单细胞多组学图谱，解析发育、稳态与2型糖尿病下的细胞可塑性

胰腺是兼具外分泌消化与内分泌血糖调控的关键器官，其功能稳定性依赖于有限的细胞更新，主要通过胰腺细胞的自我复制维持。胰腺细胞身份在胚胎发育与成熟阶段确立，物种间较为保守；成年腺泡细胞具备表观遗传可塑性，在致癌因素作用下可能会促进肿瘤演化，但该可塑性的程度和生理意义尚不明确。当前单细胞基因组学多用于胰岛异质性研究，但受制于技术障碍，难以完整解析全部细胞类型，且缺失表观遗传与空间位置信息。因此，整合多组学与空间分析可构建完整的人类胰腺细胞图谱，全面揭示胰腺细胞在发育、稳态和疾病中的动态调控机制，为理解细胞可塑性及功能障碍提供新视角。

近日，德国柏林夏里特大学医疗中心、西班牙何塞·卡雷拉斯白血病研究所的团队合作，对来自57个供体的超400万个细胞与细胞核进行分析，通过结合单细胞转录组、染色质可及性、空间转录组、多重蛋白质组等多种技术，绘制了迄今最大规模的人类胰腺单细胞多组学图谱ESPACE，涵盖胎儿发育、成人稳态和2型糖尿病（T2D）等3种生理病理场景。研究首次在成人胰腺中发现具有胎儿特征、转录可塑性的中心腺泡样细胞（pCACs），描绘了发育过程中内/外分泌细胞的谱系分化轨迹，并定义了由HNF1A决定的β细胞表观遗传状态；同时观测到T2D中β细胞亚群偏移与调控程序紊乱，并通过葡萄糖刺激实验展示不同胰岛细胞的适应与应激反应。该图谱为理解胰腺再生、糖尿病病理机制研究提供了基础框架。

研究纳入154例样本，包括成人全胰腺（覆盖4个解剖区域）、分离的胰岛及胎儿胰腺样本，采用十种互补技术，涵盖转录组学（snRNA-seq、scRNA-seq和VASA-seq）、表观基因组学（snATAC-seq、10×Multiome）和空间平台（Xenium空间转录组学和CODEX高多重免疫荧光），总捕获超400万个细胞和细胞核。比较显示，ESPACE在细胞数量、细胞多样性、转录组深度和RNA类别覆盖范围等方面，显著超越已有公开数据集。

图1. ESPACE概述

通过snRNA-seq和snATAC-seq对成人胰腺16名供体、64个样本的438,395个高质量细胞核进行分析，不仅鉴定了腺泡、导管、内分泌等主要细胞类型，还识别了21种主要细胞类型及34种额外细胞状态，捕获了内分泌ε细胞、导管内离子细胞样细胞等极稀有细胞亚群；除占主体的腺泡、导管细胞外，也完整检测到内分泌、基质（星状、施万、成纤维细胞）及免疫细胞。

研究确认了分泌型、静息型两类已知腺泡细胞亚型，鉴定出一个独特的过渡细胞亚群；发现一类兼具腺泡-导管混合表型的特殊亚群（Acinar_7），其高表达导管标志物，与中心腺泡细胞（CACs）特征相似。导管细胞中也存在同时表达导管与腺泡标志物的亚群（Ductal_4），提示胰腺外分泌细胞存在转录可塑性。

接下来，研究团队整合了snRNA-seq、snATAC-seq及染色质可及性数据，发现在转录组和染色质开放空间均存在一群共表达腺泡标志物、导管标志物的中间细胞状态。进一步轨迹分析显示，这群细胞处于腺泡-导管分化的根节点，可向腺泡样或导管样细胞分化，高表达与腺泡-导管化生（ADM）及细胞可塑性相关的基因，并呈现线粒体基因及代谢调控因子的早期激活，因此被定义为可塑性中心腺泡样细胞（pCAC），新标志物ANXA13可用于识别该类细胞。

定量分析显示，pCAC约占成人胰腺所有腺泡和导管细胞的1.43%（Xenium数据）-3.12%（snRNA数据），主要分布于腺泡-导管交界区域。与形态学定义的经典中心腺泡细胞（mCACs）相比，pCAC富集可塑性、应激应答及分化相关基因，与髓系细胞（尤其巨噬细胞）显著共定位，相关性极高。

图2. 人类成年胰腺的转录和表观遗传异质性

研究团队探究了胰岛内分泌细胞的转录异质性，通过比较4个互补的scRNA-seq数据集，重点分析了α、β、δ、γ及ε等5类主要细胞。β细胞呈现5个不同亚群，具有β细胞典型标志物（特别是INS和IAPP）的表达梯度，分别对应高胰岛素合成、转录因子调控、内质网应激等不同功能状态；α细胞同样存在显著转录异质性，具有不同功能倾向的亚群；δ细胞则存在2个亚群。空间分析显示，内分泌细胞亚群面积跨度大，从单个内分泌细胞到完整胰岛不等；不同大小的内分泌细胞簇中，β细胞亚群分布不均匀。

染色质可及性分析显示，β细胞存在由HNF1A转录因子活性划分的两种表观遗传状态，其在染色质可及性、下游靶基因表达、蛋白水平均存在差异；约30%胰岛素阳性β细胞核内HNF1A蛋白表达水平偏低，该异质性并非胰岛体外培养造成的体外假象。此外，借助Xenium、CODEX等技术，研究团队在胰岛外识别出大量单激素阳性细胞，分布于胰腺实质内与导管结构中，具备可塑性相关分子特征；并观察到部分细胞呈现多激素共表达表型，其局部聚集形成特定微环境，提示表型可塑性。

图3. 成人胰腺的异质性胰岛内分泌细胞

研究团队分析了T2D相关的转录组与染色质可及性改变。对比非糖尿病与T2D胰岛测序数据，两组可检出相似内分泌细胞亚群，但其细胞邻域基因表达存在明显差异，T2Dβ细胞高表达SPP1、DGKB和TFF3等功能损伤相关基因，T2Dα细胞中IGFBP2、B2M和CD44等基因表达升高。跨三套技术体系不同的胰岛数据集进行筛选，识别出T2Dβ细胞87个共同下调基因与64个共同上调基因，下调基因富集于纤毛、细胞骨架、膜转运相关通路，上调基因包含β细胞成熟代偿转录因子、免疫及信号通路相关基因。表观组学进一步证实，T2D胰岛中HNF1A高活性β细胞比例降低，与转录组下调一致。

体外葡萄糖梯度培养实验表明，高糖以浓度依赖性方式抑制胰岛素分泌，α、β细胞对葡萄糖变化的转录响应显著强于δ、γ细胞；相较其他内分泌细胞，β细胞对高葡萄糖刺激的基因应答更为强烈，这表明胰岛内分泌细胞针对葡萄糖刺激存在细胞类型特异性调控应答。

图4. T2D患者胰岛的调控图谱

研究团队对胎儿胰腺（孕周10～18周）进行了snRNA-seq和FFPE分析，包含87,117个高质量细胞核。结果显示，共鉴定出44个转录异质的细胞亚群，包括腺泡、导管、内分泌、内皮等，以及多种罕见过渡亚群，如NEUROG3⁺内分泌祖细胞。利用STREAM推断胎儿胰腺的发育轨迹，研究重建了三条主要分支细胞分化轨迹：短导管分化轨迹、导管向腺泡细胞分化轨迹和内分泌分化轨迹；NEUROG3阳性内分泌祖细胞依次经历早期、中期和晚期不同发育阶段，逐步分化为α、β等各类胰岛内分泌细胞；还发现了PAX4、RFX6等关键转录因子、EYA2、NPAS3等潜在调控转录因子。同时，研究发现发现人体存在NEUROG3低表达的多能祖细胞（MPC），Notch通路随着内分泌分化进程逐渐下调。

对胎儿与成人胰腺转录组数据进行比对，发现成人pCAC高表达胎儿MPC相关基因，且多能性模块评分在所有细胞类型中最高，表明pCAC保留或重新激活了胚胎发育相关基因程序。

图5. 人类胎儿胰腺的转录异质性

综上，该研究构建了首个多组学、多发育阶段、多疾病状态的一体化人类胰腺参考图谱。研究证实成人胰腺保留带有胎儿多潜能程序的pCAC，为胰腺损伤修复、胰腺肿瘤起源提供新视角；阐明β细胞 HNF1A 介导的表观异质性，解释T2D β 细胞功能受损的分子基础；完整重建人胎儿胰腺内分泌分化路径。研究配套公开交互式可视化平台，数据、分析代码全部开源。

参考文献：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1550413126002962?via%3Dihub=

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