Nature丨健康人類肝臟的空間轉錄圖譜

撰文丨章臺柳

肝臟是一個多任務器官，負責維持營養穩態、產生循環蛋白、分泌膽汁酸和解毒。這些功能由肝細胞完成，它們組織成直徑為 0.5 – 1 毫米的六邊形肝小葉。血液從門靜脈流向中央靜脈，使小葉極化，形成氧氣和營養物質的梯度。作為對此梯度微環境的響應，關鍵的肝功能在肝小葉層間呈現出空間分隔，這種現象稱為肝臟分區。許多肝臟疾病，包括代謝相關脂肪性肝病、自身免疫性肝炎、膽管炎和寄生蟲感染，均表現出區域化的病理模式。因此，高分辨率的人肝細胞空間表達圖譜對于理解肝臟病理學至關重要 ， 但獲取真正健康的人肝臟組織是一個關鍵挑戰。

選擇合適的健康參考組織對于人類細胞圖譜研究至關重要。人類肝臟細胞圖譜要么來自神經學死亡捐獻者，要么來自肝臟病變旁組織學上表現正常的組織。盡管通常被用作健康參考，但這兩種來源都有局限性。來自神經學死亡捐獻者的肝臟會經歷由長時間機械通氣、非腸道營養和藥物引起的代謝紊亂，所有這些都可能在組織采集前改變肝臟基因表達。此外，死后樣本存在不同的缺血時間，導致轉錄物依賴性的 RNA 降解，這可以解釋 RNA 測序數據中高達 40% 的變異性。同樣，肝臟病變旁組織可能受到局部或全身疾病的影響，因為即使在肝外腫瘤患者中，肝臟基因表達也可能發生改變 。

近 日 ， 來自 以色列 魏茨曼科學研究所 的 Shalev Itzkovitz 團隊 在 Nature 雜 志上發表文章 A spatial atlas of the healthy human liver from live donors ，利用空間轉錄組學以及snRNA-seq技術分析了16個肝臟樣本，其中8個來自年輕的活體健康捐獻者，另外8個來自肝臟病變個體，并采集了“病變旁正常”組織。與肝臟病變個體的病變旁正常組織相比，來自活體健康捐獻者的肝臟顯示出顯著的基因表達差異。沿著肝小葉的門靜脈 - 中央靜脈軸，肝細胞和非實質細胞均表現出顯著的分區現象，但其關鍵功能相較于小鼠和其他哺乳動物則向中央靜脈區發生了偏移。圖譜識別了早期脂肪變性肝細胞中的動態變化程序，包括核編碼線粒體蛋白的減少以及線粒體編碼轉錄本的代償性增加。

為了構建詳細的人類肝臟基因表達圖譜，研究人員采集了兩種手術類型的標本：活體器官捐獻肝切除術（在移植前從活體捐獻者中手術切除部分肝臟）和肝臟切除術（因肝臟病變而切除組織）。同時，對其他哺乳動物的肝臟進行空間轉錄組學分析，以識別共享和獨特的分區表達模式。隊列包括 8 名活體捐獻者（其中 3 名表現出不同程度的輕度脂肪變性）和 8 名病變旁正常樣本捐獻者（其中 5 名表現出不同程度的脂肪變性， 2 名有門靜脈纖維化， 1 名接受了聯合肝臟離斷和門靜脈結扎的分期肝切除 術 ）。對新鮮冷凍樣本進行 10X Visium 空間轉錄組學分析 ， 線性混合回歸模型顯示，樣本類型（活體捐獻者 vs. 病變旁正常組織）是基因表達變異的主要驅動因素，其影響超過年齡、性別或組織學的影響 ，即 活體捐獻者肝臟、病變旁正常肝臟與神經學死亡捐獻者肝臟之間 具有 顯著的轉錄差異 。

研究人員將分析集中在活體捐獻者肝臟來定義健康肝臟的分區。首先 ，在 1 724 個 肝 細胞特異性基因中，有 1 141 個顯示出顯著的表達差異，表明存在廣泛的分區現象。其次，通過 應用兩種互補的空間轉錄組學方法 —— MERFISH 和 Visium HD ，以及使用 高度多重免疫熒光（ PhenoCryler ） 來準確構建肝臟的分區圖譜。 重建的分區圖譜顯示，中央靜脈周圍肝細胞表現出外源物代謝基因（如 CYP2E1 ）、膽汁酸生物合成基因（包括 CYP27A1 ）以及脂質生物合成基因（如 FASN 和 MLXIPL ）的表達增加。相比之下，門靜脈周圍肝細胞表現出免疫相關基因（包括 CRP 和 SAA1 ）以及糖異生基因 PCK1 和 ALDOB 的較高表達。值得注意的是，人類特有的線粒體糖異生基因 PCK2 顯示出中央靜脈周圍的分區模式，這挑戰了哺乳動物中糖異生僅限于門靜脈周圍的 觀點 。主要肝臟葡萄糖轉運蛋白 GLUT2 （由 SL C2A2 編碼）也呈現中央靜脈周圍分區。免疫組織化學證實了 PCK2 和 GLUT2 蛋白在中央靜脈周圍的富集 。此外，信號配體和受體的分區現象也較為顯著。 中央靜脈周圍區域富集了編碼 WNT 通路組分的基因，包括配體 WNT2 和 RSPO3 以及 RSPO3 受體 LGR5 ；而門靜脈周圍區域則表現出編碼 Notch 通路配體（ JAG1 和 JAG2 ）和受體（ NOTCH3 ）的基因表達增加， Notch 通路是肝臟發育、再生和疾病的核心通路。在轉錄因子水平上也觀察到明顯的分區現象。中央靜脈周圍肝細胞富集了芳烴受體 AHR （一種細胞色素 P450 外源物代謝基因的激活因子），而門靜脈周圍肝細胞則表達了更高水平的 Notch 激活轉錄因子基因 HES 1 、 HEY1 和 HEYL 。值得注意的是， HNF4A 是 一個在鼠中位于門靜脈周圍的關鍵肝臟轉錄因子，在人類中卻表現出強烈的中央靜脈周圍分區 。 盡管活體捐獻者肝臟與病變旁正常肝臟之間的絕對表達水平存在差異，但總體分區趨勢高度相關 。 對比人類和小鼠的分區，顯示出顯著的差異。

非實質細胞 （ NPC ） 在介導肝功能中起著關鍵作用。這些細胞包括襯于主要血管（肝臟血管內皮細胞 ， LVECs ）和肝臟 sinusoidal 內皮細胞 （ LSECs ） 、 Kuffer 細胞（肝臟的駐留巨噬細胞）以及間質細胞（包括門靜脈肌成纖維細胞、血管平滑肌細胞和肝星狀細胞）。 為了解析人類肝臟 NPC 的特定分區特征，對 4 個 LHD 肝臟進行 snRNA - seq 生成了一個包含超過 67,000 個細胞核的圖譜，廣泛代表了 LSEC 、 Kuffer 細胞和成纖維細胞 。互作分析顯示， 來自 LSEC 的中央靜脈周圍 WNT2 與肝細胞上的 WNT 受體（ FZDS ）和成纖維細胞上的 WNT 受體（ FZD1 ）之間的相互作用，以及來自成纖維細胞和 LSEC 的中央靜脈周圍 RSPO3 與肝細胞受體 LGR5 和 LGR4 之間的相互作用。其他相互作用提示，通過 BMP9 （由 GDF2 編碼）和 BMP10 分別經由 ACVR1 和 ENG 從中央靜脈周圍成纖維細胞向肝細胞和 LSEC 發送信號，以及涉及 Notch 和 Ephrin 通路的多條分區的 NPC – NPC 相互作用。

代謝相關脂肪性肝病（ MASLD ）的特征是肝細胞內脂質異常積聚，影響約 25% 的人口。該疾病通過脂肪變性、炎癥和纖維化程度增加的階段進展。肝臟脂質積聚 是 由多種機制引起，包括循環脂肪酸增加、脂質輸入或合成增加，以及脂質輸出或分解減少。 MASLD 表現出強烈的分區性，脂質積累主要從中央靜脈周圍區域開始 。隊列中包括 4 名脂肪變性程度不同的患者，分析顯示 肝細胞中參與脂質內流或合成的基因表達降低，例如脂肪酸轉運蛋白 SLC27A3 、甘油三酯合成酶 DGAT1 和膽固醇吸收基因 NPC1L1 。相反，肝細胞增加了參與β - 氧化（ DIO1 和 HSD17B4 ）和脂質分泌（ ABCB4 ）的基因表達。進一步分析在所有患者中表現出一致變化的基因 ， 觀察到脂滴穩定酶基因 HSD17B13 的表達整體下降，而 ELOVL5 的表達增加，后者先前被認為與甘油三酯含量降低有關。這些結果突顯了肝細胞在這些早期脂肪變性階段為盡量減少脂質積累而進行的潛在代償性適應。分析還發現了一些有趣的肝臟轉錄因子的變化，如 KLF10 和 ONECUT2 ，以及核編碼線粒體蛋白的整體下降（例如，呼吸鏈基因 NDUFA9 、 NDUFS4 和 NDUFS8 ），但同時線粒體編碼的 RNA 出現代償性增加，如 MT-ND1 和 MT-ND4L 。

總的來說，研究通過空間轉錄組學和snRNA-seq技術對活體捐獻者的健康人類肝臟進行分析，繪制了健康人類的肝臟空間圖譜，為人類肝臟生物學研究提供了寶貴資源，并揭示了早期脂肪變性中肝細胞的空間依賴性變化。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10377-y

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