单细胞分析发现呼吸道发育过程中的新型祖细胞

　　一个国际研究团队在胚胎气道发育过程中发现了一种被忽视的新细胞状态。它也许有助于人们开发出治疗慢性呼吸系统疾病的新方法。

　　

人类由数万亿个细胞组成，这些细胞在器官内发挥专门的作用。在胚胎形成的早期阶段，气道中的特化细胞是如何形成的，目前还不大清楚。

南丹麦大学Kedar Natarajan领导的研究团队近日采用最新的测序和计算方法来了解气道内的细胞特化。他们发现，在特化过程中，单个细胞会形成不同的气道细胞类型，但这个过程可能包含一段不确定的时期。这种不确定性有助于细胞特化，也能对不断变化的环境做出反应。

这些结果于4月7日发表在《Science Advances》杂志上。共同通讯作者Kedar Natarajan表示：“这一发现对气道细胞类型失调的患者来说可能是个好消息，包括哮喘、慢阻肺和囊性纤维化患者等。”

 “我们在胚胎发育的时间进程分析中捕获到一种新的祖细胞，也就是粘膜纤毛上皮层的组细胞。这种祖细胞群的出现比预期的要早得多，并有助于所有主要细胞类型的形成，突出了异质性在细胞特化之前的关键作用。这意味着某些细胞类型的命运在很久之前就已经决定了，”Kedar Natarajan说。

慢性呼吸道疾病是全世界的主要杀手

根据世界卫生组织（WHO）的数据，呼吸系统疾病导致的死亡人数占所有死亡人数的15%。这些疾病包括哮喘和慢性阻塞性肺病，还包括癌症、肺炎和囊性纤维化。哮喘和慢阻肺患者的特化细胞功能受到影响。这些慢性疾病目前可以得到缓解，但仍无法治愈。

“为了了解慢性呼吸道疾病发生时的情况，我们需要更好地了解细胞经历的所有状态，特别是在细胞类型形成的早期阶段。我们经常研究细胞出现问题后发生了什么，然后试图修复它。我们还应当研究细胞是如何形成的，以便更好地了解它是如何走上歧途的。这些知识可以帮助我们打开一扇新的大门，以治疗哮喘或慢阻肺等疾病，”Kedar Natarajan解释说。

保持肺部清洁的系统

呼吸道组织是由一个复杂的细胞系统组成的，具有几种固定功能。这个系统统被称为粘膜纤毛上皮。粘膜分泌了保护性的粘液。纤毛是排列在粘膜上的突起，而上皮细胞则是覆盖在身体内外表面的细胞。

粘膜纤毛上皮包含四种特化细胞类型，它们共同作用以保护气道。产生粘液的杯状细胞形成了抵御病原体、污垢和细菌的保护屏障。纤毛细胞与液体相互作用，促进捕获颗粒的清除。离子细胞调节渗透压、离子和酸碱水平，而基底细胞可以在损伤时补充所需的细胞类型。

它们都来源于同一类型的细胞。在发育过程中，细胞经历不同的阶段（原肠胚、神经胚、尾芽早期和尾芽晚期)，形成所有主要的细胞类型。然而，神经胚阶段和各自的细胞分裂决定了细胞如何随着时间的推移形成四种特化的细胞类型。

为什么这个过程会出错？

这些细胞共同作用，确保你能够呼吸，而呼吸道不会因吸入的灰尘而堵塞或损伤。当呼吸系统疾病发生时，细胞在发育过程中脱离轨道，并从新的点开始继续发育。

“我们需要了解在组织发育的不同阶段，单个细胞发生了什么？如果我们了解细胞是如何做出这些命运决定的，我们也许就能够修复在发育过程中可能出现的错误，”Kedar Natarajan说。

细胞功能的缺陷会导致患者出现典型的疾病表型，比如哮喘、慢性阻塞性肺病和囊性纤维化。这使得气道更容易出现感染和疾病，并可能削弱肺部的功能。

“目前有20多种呼吸道疾病是由粘膜组织表面的纤毛受损引起的——例如，纤毛太小或移动不协调。这意味着它们不能正确地清除灰尘或其他颗粒，”Kedar Natarajan说。

对非洲爪蟾的发育研究

在这项研究中，研究人员以两栖动物非洲爪蟾的粘膜纤毛细胞为出发点。青蛙细胞的发育类似于人类的粘膜纤毛细胞。不同之处在于多能细胞分化的四个方向更容易区分。

研究人员采用10x Genomics Chromium单细胞基因表达分析绘制了粘膜纤毛细胞在十个不同发育阶段的发育图，从未分化的细胞（第8阶段）一直到分化的细胞（第27阶段），在这个阶段形成了具特定功能的主要细胞类型。解读细胞在各个阶段如何分化，就像在阅读一份高度精细的家谱，分析不同代之间的差异。

总的来说，研究人员分析了约35,000个细胞。他们深入分析了每个细胞中约3,000个基因，这产生了大量的数据，让他们意识到一些细胞经历了一种以前未知的状态，具体被称为“早期上皮祖细胞”，并以一种独特的方式进行细胞特化。

“我们发现了一个以往错过的祖细胞群。我们将其称为早期上皮祖细胞。它们经过特化，形成后期的离子细胞、杯状细胞和基底细胞群。因此，我们提出了一个模型，其中早期上皮祖细胞以连续的非层次方式经历命运转换，这与标准模型不同，”Kedar Natarajan说。

原文检索

A single-cell, time-resolved profiling of Xenopus mucociliary epithelium reveals nonhierarchical model of development

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DOI: 10.1126/sciadv.add5745