引言
小鼠小腸基因在腸隱窩-腸絨毛軸中的基因表現表現出空間異質性，但是在人體中是否存在類似的空間異質性尚不清楚。
近日，以色列魏茨曼研究所 Shalev Itzkovitz 研究組在 Nature 上發表了文章 A spatial expression atlas of the adult human proximal small intestine ， 透過空間轉錄組學、空間蛋白質組學以及單分子熒光原位雜交實驗全面構建了成體近端小腸空間表達圖譜，為理解成體小腸生物學提供了詳細的資料平台。
小腸是一個高度結構化的器官，由重復的隱窩絨毛單位組成。在小鼠中隱窩絨毛中的基因表現模式表現出顯著的空間異質性。隱窩絨毛的結構由血流以及形態生長因子BMP以及WNT形成梯度所極化。最近透過類器官的體外研究表明BMP驅動的空間異質性模式也存在於人類的小腸中，單細胞圖譜也揭示了人類腸道譜系的異質性 【1-3】 。然而，獲得小腸組織高分辨率形態學完整性的挑戰阻礙了對成體小腸進蛋白空間解析表達的實作。為此，作者們使用了10x Visium空間轉錄組學、蛋白質組學以及的單分子熒光原位雜交的方法對成體小腸組織進行了表達圖譜的構建。
為了實作對人類小腸基因表現圖譜的構建，作者們收集了胰十二指腸切除術的病人樣本，在這些手術過程中，由於胰腺病變，胰腺頭部與近端小腸會被一起移除。但是大多數病例中，被移除的近端小腸被認為是非病變區域。作者們共收集了8位元病人的樣本，並對這些新鮮凍存的樣本進行空間轉錄組分析，共獲得了17960個轉錄特征點，平均每個病人樣本的轉錄特征點中位數是2797，每個特征點中的唯一分子識別元數為3180。
為了構建空間轉錄組參考框架，作者們根據H&E染色影像手動標記了隱窩位點，同時也對每個隱窩近距離的其他隱窩的位置進行標記。為了對基因表現空間分布模式，作者們使用了的Kruskal-Wallis檢驗鑒定組織軸線中顯著表達的基因。作者們發現多種腸道細胞特異性細胞表達，比如REG1A和的DMBT1特異性表達在隱窩中，PIGR以及GSTA1表達在絨毛底部，DGAT1以及RBP2表達在絨毛中間區域，APOA1以及AQP10主要表達在絨毛頂部。進一步地，透過單分子熒光原位雜交的實驗對小腸隱窩絨毛基因表現特征進行了視覺化驗證。
之後作者們對人類小腸空間轉錄中脂肪酸吸收以及離子代謝訊號通路特征進行刻畫。富含甘油三酯的脂蛋白在多步驟中組裝形成，初始步驟形成脂滴，這些脂滴會儲存消化後的脂肪酸，並將甘油三酯轉移到新生的乳糜顆粒中，這些過程相關的基因表現會沿著絨毛軸空間分布。對於脂滴形成相關的基因包括脂滴組裝因子TMEM159、脂滴維持因子BSCL2主要在隱窩-絨毛底部區域表達，編碼甘油三酯再合成的基因比如MOGAT2、MOGAT3以及DGAT1在絨毛中部區域表達，與乳糜顆粒組裝相關的基因MTTP、APOB以及DGAT2則在絨毛頂端表達。另外，透過對對離子代謝相關的基因的表達，作者們也發現了隱窩絨毛軸中具有特定的空間分布模式。
之後，作者們對人類以及小鼠腸道上皮細胞區帶空間分布特征進行比較。作者們將該工作中空間轉錄組結果與先前發表的單細胞RNA-seq測序結果進行對比，發現某些基因在小鼠和人類小腸中的表達存在大的差異，比如角蛋白基因KRT8以及KRT18在小鼠中的表達相較於人類更偏向於絨毛頂端。但總體來說病人樣本中小腸基因表現的空間分布特征多樣性並不受到性別、化療、年齡以及身體品質指數的影響，小鼠和人類種屬之間的差異更大。之後，作者們還對小腸絨毛中間質細胞以及免疫細胞的空間分布特征也進行了總結。
小鼠小腸的結構具有典型的直指狀結構特征，人類的腸道則有一層額外的圓形折疊。組作者們在組織學影像分析中發現人類小腸具有鋸齒狀絨毛特征，富集在圓形皺褶頂部。絨毛分支長度為115±37µm，透過Ki-67染色並未觀察到分支底部上皮細胞分裂。透過對人體小腸二維切片發現絨毛溝槽呈現葉子形狀，而且兩個絨毛連線區域存在更大的分叉。在年輕患者的健康腸道活檢中可以發現鋸齒狀絨毛的存在，但是在不同年齡的小鼠小腸中均未見到鋸齒狀絨毛的存在。作者們透過空間轉錄組分發現了人體小腸絨毛皺褶底部MALAT1以及IGHA2這兩個基因表現顯著提高。人體小腸中圓形皺褶頂部鋸齒狀絨毛的形態復雜性與小鼠的小腸絨毛之間存在明顯的不同，這可能與其生物學功能存在聯系。
總的來說，作者們透過對成體小腸的空間轉錄組分析、蛋白質組學分析以及單分子熒光原位雜交分析對小腸隱窩絨毛軸線上基因分布空間特征提供高分辨率的數據平台，同時也為人體小腸絨毛與小鼠之間的基因表現以及組織形態差異進行了比較，為人體小腸的研究提供了新的見解。
參考文獻
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2. Holloway, E. M. et al. Mapping development of the human intestinal niche at single-cell resolution. Cell Stem Cell 28, 568–580 (2021).
3. Fawkner-Corbett, D. et al. Spatiotemporal analysis of human intestinal development at single-cell resolution. Cell 184, 810–826 (2021)
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07793-3
責編 |探索君
排版|探索君
文章來源|「BioArt」
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