Cell Research | 马燕琳/陈捷凯/裴端卿/曹尚涛团队揭示了人肺胚期的近远端细胞谱系命运发育机制

肺作为人体最主要的呼吸器官，近端气道和远端肺泡分别负责气体传导和气体交换，其中，近端上皮细胞发育为基底细胞，纤毛细胞，分泌细胞等，而远端上皮细胞发育为I型和II型肺泡上皮细胞，这些主要的功能细胞均起源于肺内胚层细胞。因此，肺上皮近端-远端特化是人肺发育过程中的最为关键的事件之一。

人肺发育是一个复杂的过程，根据形态学特征，人肺发育可以分为5个阶段：胚期 (4-7周) ，假腺期 (5-17周) ，管状期 (16-26周) ，囊状期 (26-38周) 和肺泡期 (36周-出生后3年) 【1,2】 。目前，人肺发育的研究主要集中在假腺期往后的发育阶段和成年阶段 【3-5】 。由于样品稀缺和技术手段制约，关于人肺胚期，即肺器官发生关键时期的发育机制研究甚少，尤其是在肺上皮近端-远端特化发生的过程中，我们对于这一关键发育事件的认识相当匮乏。深入解析人肺器官发生过程细胞谱系命运发育机制对肺发育、干细胞生物学与再生医学的发展具有重要意义。

2023年4月21日，海南医学院马燕琳教授，中国科学院广州生物医药与健康研究院陈捷凯研究员，西湖大学裴端卿教授和广州实验室曹尚涛研究员组成的研究团队在Cell Research期刊发表了 Single-cell sequencing reveals the developmental program of proximal–distal patterning of human lung at embryonic stage 的研究论文。该研究利用单细胞转录组测序，空间转录组测序和单分子原位探针杂交等方法， 首次绘制了人肺胚期器官发生过程的细胞变化图谱，描绘了胚期肺上皮细胞和其他细胞的空间邻近关系，揭示了胚期人肺近端-远端细胞谱系命运发育进程的内在 （转录调控） 和外部 （微环境） 的调控机制。

研究团队收集分离了捐赠的4-8周 （CS12-22） 的人胚肺样本，进行高通量单细胞转录组测序，获得169,686个高质量的单细胞 （检测基因数>3738） 。通过单细胞分析结合单分子原位探针杂交验证，鉴定出上皮细胞、间质细胞、内皮细胞、神经嵴细胞、巨噬细胞和原红细胞共6类主要细胞类型，并通过聚类分析进一步将6类主要细胞类型分为33种细胞亚型，绘制了详细的人胚肺器官发生过程的细胞发育图谱。有趣的是，本研究发现，人肺器官发生起始时（4周、CS12），肺组织中已经包含三个胚层来源的6种主要细胞类型，提示人肺器官发生过程是由复杂的细胞互作机制所启动的。

研究团队通过整合本研究中的肺上皮细胞和已发表人肺发育后期的肺上皮单细胞数据 【3，4】 ，确定了肺上皮向近端和远端的分化路径，发现了肺上皮在胚期已经发生了近端-远端命运特化，并发现了一系列调控近端-远端特化新的转录因子，如THRB和SOX6，并通过实验验证。有趣的是，与小鼠肺早期发育比较，部分转录因子在人肺上皮近端-远端特化过程特异表达，提示人和小鼠肺早期发育近端-远端特化存在不一样的作用机制。为回答近远端特化从何时启动这一关键问题，研究团队研究发现近端 （SOX2） 和远端 （SOX9，ETV5） 标志基因在4周转录谱已有差别，而在6周近端-远端转录调控网络出现了明显的区别，提示在4周开始启动近端-远端命运偏向转录程序，而在6周完全进入近端-远端特化。

近端-远端的特化作为一个细胞命运决定过程，除了自身转录调控网络起到核心作用，其所处的细胞微环境同样具有关键的作用，而间质细胞在微环境中扮演重要的角色 【6,7】 。本研究中，间质细胞数目占了整体细胞82.7%，共有7种细胞亚型。研究团队通过空间转录分析，首次解析了人胚肺的不同类型细胞空间分布规律，并发现不同的间质亚型和近端-远端上皮具有邻近的偏好性。进一步通过受体配体互作分析预测了不同的间质亚型和近端-远端上皮相互作用。同时，发现并鉴定了一群表达BDNF的特殊间质细胞，该间质细胞亚群分泌BDNF、FGF9、FGF10、BMP4、WNT2B、LAMA5等多种信号因子，促进上皮细胞的增殖和分支。这一群细胞的特异性转录谱目前仅在胚期可以检出，提示这些信号因子对于肺发育的器官形成具有重要的作用。这些结果表明间质细胞在上皮近端-远端发育过程中起重要的微环境调控作用，间质细胞不同亚型的物理分布以及分泌的信号因子对肺上皮细胞近端-远端特化和发育进程具有重要作用。

有报道认为平滑肌细胞对肺上皮发育起到重要作用，但是关于人肺中平滑肌细胞的发育起源和后期命运演化机制并不清楚。研究团队深入分析了气道平滑肌 （Airway smooth muscle cells, AMSC） 和血管平滑肌 （vascular smooth muscle cells, VMSC） 的发育轨迹，发现AMSC 和VMSC均起源于一群早期的间质细胞，在4-5周出现了谱系命运特化，分别由新的转录因子如FOXF1和EBF1调控决定。值得注意，ASMC的发育和肺上皮近端-远端命运特化几乎同步进行，而且空间邻近近端上皮，特异表达IGF1等调控近端气道上皮细胞分化的信号因子，提示ASMC对肺近端上皮细胞发育可能具有重要调控作用。

本研究 首次详细绘制了人胚肺器官发生过程的发育细胞图谱，系统揭示了人肺上皮近端-远端命运特化的发育机制；深入研究了人肺器官发生过程中的间质细胞异质性与空间分布特征，鉴定了一种分泌多种信号因子且促进肺上皮早期发育的BDNF阳性间质细胞亚群，同时解析了人肺中平滑肌细胞的发育起源和命运演化决定程序 。这些发现不仅丰富了人肺早期发育生物学理论知识，而且为建立多谱系构成的复杂肺类器官和干细胞再生治疗肺部疾病等提供了重要的理论依据。

曹尚涛，冯辉坚，易红艳，潘梦婕，林立惠，张垚，冯子彧为本论文的共同第一作者。马燕琳教授、陈捷凯研究员、裴端卿教授、曹尚涛研究员为本论文的共同通讯作者。

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曹尚涛，广州实验室研究员，广州医科大学特聘教授，毕业于中国科学院广州生物医药与健康研究院，师从干细胞专家裴端卿教授。课题组主要从事细胞谱系与命运调控研究，近5年相关工作成果以第一作者或通讯作者（含共同）发表于Cell Research, Cell Stem Cell, Nature Cell Biology, Nature Communications, EMBO J等国际期刊10篇，曾获广州市黄埔区高层次人才，中国科学院院长奖等荣誉。因课题研究需要，现诚聘博士后科研人员，热烈欢迎有志于细胞谱系研究、人功能细胞制备与治疗的青年才俊加入。

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原文链接：

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制版人：十一

参考文献

1. Rackley, C.R. & Stripp, B.R. Building and maintaining the epithelium of the lung. J Clin Invest 122, 2724-2730 (2012).

2. Nikolic, M.Z., Sun, D. & Rawlins, E.L. Human lung development: recent progress and new challenges. Development 145 (2018).

3. Miller, A.J. et al. In Vitro and In Vivo Development of the Human Airway at Single-Cell Resolution. Dev Cell 53, 117-128 e116 (2020).

4. Travaglini, K.J. et al. A molecular cell atlas of the human lung from single-cell RNA sequencing. Nature 587, 619-625 (2020).

5. He, P. et al. A human fetal lung cell atlas uncovers proximal-distal gradients of differentiation and key regulators of epithelial fates. Cell 185, 4841-4860 e4825 (2022).

6. Morrisey, E.E. Balancing the developmental niches within the lung. Proc Natl Acad Sci U S A 110, 18029-18030 (2013).

7. Morrisey, E.E. et al. Molecular determinants of lung development. Ann Am Thorac Soc 10, S12-16 (2013).

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