人类疾病每每伴随反常的细胞范例或形态。单细胞技能的超过使咱们也许以单细胞剖析率通盘绘制繁杂机关的分子特色。迄今，大大都肺细胞图谱钻研都依赖于从支气管刷检中搜罗的活检模范或细胞的解离，这并不代表全部肺，咱们还不足人类远端气道的归纳图谱，包含与呼吸道疾病关联的临了细支气管和呼吸道细支气管(TRB)。TRB位于气道和肺泡的接壤处，形成一个过渡区，被觉得与很多呼吸系统疾病亲昵关联，包含特发性肺纤维化(IPF)和慢性壅塞性肺病(COPD)。由于TRB的长度（2mm）和直径（1mm）都特别小，因而很难拿获这些地域中存在的细胞，这些地域在剖解学上与小鼠肺的联结地域统统不同。
年3月30日，杜克大学的钻研团队在Nature上在线颁发了题为“Humandistallungmapsandlineagehierarchiesrevealabipotentprogenitor”文章，操纵空间转录组学和单细胞转录组测序技能建立了人类远端气道的细致图谱，肯定了分子上不同的TRB细胞范例，改正了人类肺细胞谱系轨迹，显露了灵长类动物肺复活和疾病中的上皮过渡形态。
1.人体远端肺的分子会见和奇特的远端气道上皮细胞
MOLECULARSURVEYOFHUMANDISTALLUNGANDUNIQUEDISTALAIRWAYEPITHELIALCELLS
首先，做家操纵Visium技能对肺切片举办了空间转录组(ST)剖析,基于ST点的无监视聚类形成九个聚类，包含上皮、间充质、腻滑肌、软骨、内皮和神经元谱系。其次，做家对远端气道举办了单细胞转录组剖析，判决出约21,个细胞，共45个亚群，拿获到大大都已知的内皮细胞（动脉、静脉、淋巴管、支气管血管、气细胞和“正常”毛细血管(gCap)）和免疫系统（典范和非典范单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、血浆、嗜碱性粒细胞、B、CD4+和CD8+T、NK和树突）和间充质细胞。
基于基因的不同表白，做家肯定了18个不同的上皮细胞亚群，并按照SFTPB表白的存在与否分为两个不同的全体SFTPB-和SFTPB+，分离ST数据的归纳剖析讲明，SFTPB-全体标识物与近端气道关联，而SFTPB+全体存在于远端气道中。荧光原位杂交(FISH)和免疫染色进一步考证了这些觉察。
按照SFTPB的共表白以及SCGB1A1、FOXJ1、SCGB3A2和SFTPC的不同表白，做家解释出了不同的上皮细胞范例。进一步的剖析讲明，这些细胞范例中的每一种都显示出远端气道内的特定定位形式，经过他们的特色和定位定名为TRB渗出细胞（TRB-SC）、末了细支气管前渗出细胞（pre-TB-SCs）、肺泡0型上皮细胞（AT0s）、SCGB3A2纤毛细胞(SCGB3A2-CCs)。做家还离体对比了远端和近端气道上皮细胞的表型特色。
做家还观看到四种范例的基底细胞群。一种表白高水准的TP63、KRT5、KRT17和IL33，相仿于从前已知的气道基底细胞。第二种TP63的表白节减，渗出细胞标识物如LTF、SCGB1A1和SOX21的表白补充，这讲明它包含分裂的基底细胞。别的两个基底细胞群共表白SFTPB和TP63，但显示出KRT5、AQP5、KRT15和IL33的下降，以及SLC34A2、BST2、RNASE1、NKX2-1和MUC1的补充。在免疫定位和定量剖析的原形上，做家将这些细胞称为远端基底细胞1(distal-BC-1)和远端基底细胞2(distal-BC-2)。为了确认上述肯定的远端气道细胞在发育中浮现，做家还对人类胎儿肺的scRNA-seq数据集举办了剖析。即便在这些阶段没法从形状学上辨别出呼吸性细支气管，但觉察了相仿于表白SCGB3A2和SFTPB的TRB-SC的细胞，免疫染色阐明白气道中存在SFTPB+SCGB3A2+细胞。很多细胞群的定位形式与诞生后肺中成人机关的定位形式彷佛。总之，这些数据肯定了地域稀奇性标识物和细胞范例（图1）。
图1空间和单细胞转录组学显露了远端气道中不同的上皮细胞范例
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2.LGR5标识着一个奇特的间充质生态位
LGR5MARKSADISTINCTMESENCHYMALNICHE
多个间充质细胞群已被表明攻下不同的生态位并向肺中的相邻细胞供应感到记号。经过与从前刻画的人类肺参考数据集举办对比，做家在本钻研生成的scRNA-seq数据中解释了成纤维细胞，观看到七个从前肯定的全体：肺泡成纤维细胞、外膜成纤维细胞、肌成纤维细胞、纤维肌细胞、周细胞以及血管平和道腻滑肌细胞，以及本钻研数据集结私有的成纤维细胞亚群,这些成纤维细胞显著富集LGR5、F13A1、PDGFRA、WNT5A、RSPO1、DLL1、TGFBI和DIO2。对ST数据的剖析显露了基因的不同表白，包含FGF14，它们在气道范围的LGR5+成纤维细胞中富集，但在肺泡地域中没有。RNA-FISH显示LGR5+成纤维细胞位于气道的上皮下间质中，包含TRBs。通路剖析讲明，表白LGR5的细胞富集WNT、PDGF、BDNF和TGFβ记号通路。进一步剖析讲明，LGR5+成纤维细胞是FGF（FGF2、FGF7、FGF10和FGF14）、BMP（BMP2、BMP4、BMP5和BMP7）和WNT通路配体的起源，这些配体经过其同源受体（FGFR2和FGFR3；BMPR1B和BMPR2）发出记号;FZD6)在远端BC-1、远端BC-2和TRB-SC中表白。相悖，远端BC-1、远端BC-2和TRB-SC表白PDGF配体，其受体由LGR5+成纤维细胞表白。这些数据讲明，以LGR5+成纤维细胞和远端BC-1、远端BC-2和TRB-SC为核心存在双向记号传导（图2）。转录调动因子的活性剖析进一步讲明LGR5+成纤维细胞呈现出奇特的转录调控。别的，做家还经过体外共培植测验觉察，远端气道中的LGR5+成纤维细胞也许撑持左近基底细胞的成长和保持。
图2LGR5标识着气道中奇特的成纤维细胞群
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3.类器官显露人类AT0细胞动力学
ORGANOIDSREVEALHUMANAT0CELLDYNAMICS
操纵几种不同的轨迹剖析算法（scVelo、Monocle3、PAGA、scEpath和Slingshot），做家观看到从AT2群到老练AT1或TRB-SC到AT0的激烈细胞轨迹（图3a）。操纵MuTrans的进一步剖析讲明，AT0具备高熵，因而安稳性较低。与拟时剖析关联的不同基因表白特色讲明，AT0标识在AT2向AT1或TRB-SC的变动流程中片刻浮现。总之，这些算法猜测讲明AT2也许变换为AT0，尔后也许生成AT1和TRB-SC。
做家进一步操纵人类AT2衍生的肺泡培植物考证了这些猜测。操纵EGF耗尽前提进上进一步剖析觉察，在EGF耗尽后类器官形状从囊状到多腔囊状结洽商细胞形态变动（从AT2到AT0和TRB-SC）的逐突变动，如经过剖析SCGB3A2、SOX2、SFTPB的表白所显露的和SFTPC。AT0数目在第14天到达峰值，而在EGF耗尽后，TRB-SC从第14天到第28天显著补充。这些数据撑持云云一个模子——AT2首先变化为AT0，尔后发达为TRB-SC，TRB-SC机关成三维上皮郛肿，相仿于人类肺部病理形态下的细支气管化布局。做家还操纵EGFR稀奇性统制剂厄洛替尼进一步阐明白这些观看成果。为了绘制分子谱和细胞形态动力学，做家对不同前提下培植的AT2举办了scRNA-seq剖析，觉察在EGF耗尽和血清解决的类器官中存在AT0、AT1和TRB-SC，从血清增加或EGF耗损赢得的AT0的转录组谱与体内AT0的转录组谱的直接对比显露了强关联性。总之，这些数据讲明AT2s也许赢得具备双向分裂潜力的AT0细胞形态，进而在体外形成AT1s或TRB-SCs（图3）。
图3人肺泡上皮中AT0的动力学和奇特的细胞轨迹
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4.灵长类动物的远端肺细胞谱和疾病中AT0细胞动力学
DISTALLUNGCELLPROFILESOFPRIMATESANDAT0CELLDYNAMICSINLUNGDISEASES
来自不同物种的肺的对比剖解显露了远端气道机关的显著不同。比如，与人类相仿，一些动物（包含猴子、雪貂和猪）具备一代或几代呼吸性细支气管，而在小鼠和大鼠中，这些地域不存在。因而，做家反省了猕猴肺中是不是存在上述远端上皮细胞，这些细胞已知有几代TRB。来自食蟹猴肺部的snRNA-seq数据显示出多种与人类TRB-SCs、AT0s和pre-TB-SCs以及别的已知细胞范例(AT2，AT1，纤毛和渗出）彷佛的细胞，但与人类不同，SFTPB表白在猴肺的AT1中不存在，讲明物种稀奇性不同。恒河猴的肺切片的免疫染色考证了这些觉察。博来霉素引发肺损伤后SCGB3A2、SFTPC和SFTPB的免疫染色显示，与未受伤地域比拟，在受损地域的远端肺泡囊中存在大批AT0。这些数据讲明，在非人类灵长类动物肺部的损伤修理流程中，AT0细胞形态从AT2中浮现。
为了钻研AT2是不是在受伤的人肺中赢得片刻的AT0形态，做家剖析了来自得了急性肺损伤和IPF的个人的机关切片。免疫染色显示在受损肺泡机关中存在大批共表白SFTPC、SCGB3A2和SFTPB的细胞，但在比较机关中不存在。这些数据讲明，AT0浮如今远端肺泡囊中以反映肺损伤。一样，在COPD患者和IPF患者的肺部观看到大批AT0。在IPF患者的肺部探测到相仿于TRB-SC的细胞存在，但在急性肺损伤或COPD患者的肺部没有。IPF患者肺部异位TRB-SC和AT0的分布与不同的机关学形式关联。AT0s紧要觉察于轻度纤维化地域，这些地域与平常AT2s地域相邻并分布在它们之间，这讲明AT2s正在向AT0s过渡。比拟之下，TRB-SC样细胞紧要存在于严峻的纤维化地域，相仿于“细支气管化地域”的典范机关学刻画。做家还觉察了指导细胞阅历从AT2s到AT0s尔后到TRB-SCs的按序变动的地域。急性肺损伤机关切片中的AT0表白Ki67，讲明它们也许在这些地域复制。总之，这些成果讲明AT2在体内也也许赢得具备双向分裂潜力的AT0细胞形态，并按照范围处境从这类形态变动成AT1或TRB-SC（图4）。
图4改正的灵长类动物肺泡复活和疾病谱系层级布局
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5.论断和意义
CONCLUSIONSIGNIFICANCE
该钻研操纵空间转录组学和单细胞转录组测序技能建立了人类远端气道的细致图谱，肯定此前未被表征过的分子上不同的TRB细胞范例，经过非人类灵长类动物肺损伤模子，连同人类类器官和机关标本，讲明复活肺中的肺泡2型细胞刹时赢得AT0形态并分裂成肺泡1型细胞或TRB-SC，这与小鼠中的分裂程序不同。总之，该钻研改正了人类肺细胞谱系轨迹，讲明白灵长类动物肺复活和疾病中的上皮过渡形态。
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参考文件：
KadurLakshminarasimhaMurthy,P.,Sontake,V.,Tata,A.etal.Humandistallungmapsandlineagehierarchiesrevealabipotentprogenitor.Nature,–().
案牍：生物消息部
编纂：乐乐
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