北京时间2022年7月12日晚23时，清华大学生命科学学院陈晔光课题组在《细胞报告》（Cell Reports）杂志在线发表论文——“Mesenchymal-epithelial interaction regulates gastrointestinal tract development in mouse embryos”。
该研究基于单细胞和空间转录组测序，系统描绘了小鼠胚胎E9.5-E15.5期间胃、小肠和大肠的时空转录组图谱，揭示了该阶段细胞组成的动态变化过程，以及器官内部早期区域化的存在，同时结合类器官及小鼠模型，发现了间充质-上皮相互作用能够调控关键发育事件和细胞命运决定。
清华大学生命科学学院博士研究生赵联正、博士后宋婉璐为论文共同第一作者，陈晔光教授为通讯作者。
在胚胎发育中，原始肠管会沿前后轴特化形成不同的器官，其中前肠发育为包含胃在内的多个器官，中后肠发育为小肠和大肠。在胃肠特化和发育成熟期间，会发生多个“关键事件”，以小鼠为例：胚胎发育至9.5天（E9.5）时，胃芽从前肠伸出；E11.5时，盲肠出现，大小肠分离；E13.5时，胃开始分区；E14.5时，小肠绒毛开始形成。对这些“关键事件”发生期间胃肠细胞组成的变化及分布，以及相关调控机制的研究十分匮乏。
在本文中，研究人员对小鼠胚胎E9.5-E15.5的14个胃肠样本进行单细胞转录组测序，同时对E13.5和E15.5时期的整个胃肠道进行空间转录组测序，全面覆盖了胃肠发育的“关键事件”，并以此为基础进行深入探究。单细胞测序鉴定出了26个细胞类群，包括占比最大的间充质细胞，以及上皮细胞、神经嵴细胞等，并且早在E9.5时，上皮细胞和间充质细胞已经具有了显著的器官特异性。通过结合空间测序，研究人员描绘了单细胞类群的空间位置信息，鉴定出了一系列新的区域化细胞标志物，通过报告基因小鼠模型及免疫荧光染色进行了验证。
研究人员随后将胃、小肠和大肠的上皮和间充质细胞进行分别分析，系统鉴定了每种器官上皮和间充质的细胞亚群，绘制了细胞亚群的动态变化过程以及亚群间的演化轨迹。值得注意的是，这三种器官在发育早期即具备异质性和区域化特征，例如胃中的胃窦祖细胞在E9.5时已经存在，表明胃分区在该阶段已经开始进行，而不是之前研究所认为的E13.5；在小肠中，早期就出现了极为显著的近远端差异等。利用原位杂交技术，研究人员验证了特殊间充质细胞亚群的分布，例如Lox阳性亚群特异性分布在胃和食管的连接处，Aldh1a3和Adamdec1阳性亚群分别紧邻小肠上皮和大肠上皮，并且具有区域化特征，暗示了这些亚群在指导上皮发育中的潜在功能。有趣的是，单细胞测序、报告基因小鼠和原位杂交的结果共同表明，成体小肠干细胞的标志物Lgr5在胚胎期呈现出特殊的梯度分布，即从小肠近端向远端表达逐渐升高，谱系追踪小鼠模型表明小肠近端Lgr5阳性细胞在E11.5至E15.5期间并不具备干细胞功能，对传统认知提出了挑战。
前述的“关键事件”究竟如何被调控？由于间充质细胞占据很大比重并且具有极强的异质性，因此研究人员重点关注了间充质细胞与上皮细胞间的相互作用。通过分析信号通路受配体的表达模式，本文系统建立了间充质细胞与上皮细胞间的互作网络，推测了驱动前胃发育、胃窦特化、小肠前后端差异出现、小肠绒毛形成及大小肠分离等关键事件的信号通路，并且将互作关系具体到细胞亚群。通过结合空间测序的细胞亚群位置，该研究进一步分析了驱动器官发育成熟的信号通路，发现成体小肠间充质的特洛细胞（telocytes）亚群在胚胎期已经出现，并且特异性分泌HGF因子作用于上皮细胞，进一步利用体外类器官以及肠管组织培养模型验证了该信号对小肠发育成熟的驱动作用。
为进一步探索间充质-上皮相互作用的重要功能，该研究首次建立了E9.5肠管的类器官体外培养系统。在基础培养条件下，E9.5前肠或后肠衍生出的类器官并不能保持各自的特性。通过分析单细胞测序结果，研究人员发现FGF10和RA信号分别在前肠和后肠的间充质中富集，因此尝试在基础培养基中加入FGF10或RA。转录组测序结果表明，FGF10或RA的加入可以分别维持前肠或后肠类器官的特性，重要的是，如果在培养初期对培养基成分进行互换，那么前肠和后肠类器官的命运可以发生相互转变，这与胚胎组织所具有的可塑性特征是一致的。最后，研究人员进一步筛选出后肠间充质富集的一系列生长因子，这些生长因子能够共同促进后肠类器官部分标志物的表达。以上结果共同证明了间充质-上皮互作能够调控细胞命运决定。
图文摘要：时空转录组图谱揭示间充质-上皮互作调控小鼠胚胎胃肠道发育
总的来说，该研究通过结合单细胞转录组测序、空间转录组测序，以及类器官和小鼠模型，深入解析了胚胎胃肠道发育期间的重要事件，揭示了间充质-上皮互作调控胃肠道发育的重要功能，极大完善了对胚胎胃肠道发育的认识，同时也为该领域提供了重要的数据资源。
本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划的经费支持。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111053
