在所有的器官中，肝臟可能是最“神秘”的一個(gè)。它不僅是最大的實(shí)體器官，包含最多的血液，具備器官中最強(qiáng)的再生能力，還擔(dān)負(fù)著代謝、合成、消化、免疫等多種功能。

古代人曾認(rèn)為肝代表著欲望、感情沖動(dòng)和生命力本身。而在現(xiàn)代科學(xué)家們眼中，肝的生理機(jī)制則是在基因的引導(dǎo)下，多樣的細(xì)胞進(jìn)行功能性分化、表達(dá)與合作的結(jié)果。對(duì)于這些復(fù)雜的機(jī)制還有太多未解之謎。

隨著基因測(cè)序、計(jì)算機(jī)等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們有望通過(guò)更加精準(zhǔn)和深入的觀測(cè)技術(shù)來(lái)探索這些謎題。2024年4月16日，杭州華大生命科學(xué)研究院與中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心主導(dǎo)，聯(lián)合吉林大學(xué)、廣州醫(yī)科大學(xué)第五附屬醫(yī)院、山西醫(yī)科大學(xué)、上海科技大學(xué)等國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)，在國(guó)際期刊《自然·遺傳學(xué)》（Nature Genetics）發(fā)表了兩篇研究成果，首次成功構(gòu)建了小鼠肝臟的高精度時(shí)空?qǐng)D譜，探索了肝臟的空間分子特征與損傷修復(fù)中的分子機(jī)制，為未來(lái)肝臟疾病的治療提供了新思路。

在華大自研的名為Stereo-seq時(shí)空組學(xué)技術(shù)的幫助下，研究人員們?cè)诩{米級(jí)分辨率上將肝臟細(xì)胞的空間信息與細(xì)胞基因等分子信息相結(jié)合，對(duì)肝臟進(jìn)行了深層透視和建模。在其中的一項(xiàng)研究中，研究者們對(duì)小鼠的正常肝臟和70%切除之后的肝臟展開(kāi)研究，揭示了小鼠穩(wěn)態(tài)肝臟中的細(xì)胞類型、基因表達(dá)和微環(huán)境信號(hào)的空間特征，以及部分肝切除后對(duì)應(yīng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化如何協(xié)調(diào)準(zhǔn)確的肝再生。

在肝臟的不同區(qū)域中存在不同類型的細(xì)胞，它們?cè)诨蛞龑?dǎo)下分化，行使著不同的功能，并通過(guò)一系列機(jī)制相互協(xié)作。研究團(tuán)隊(duì)在肝臟的門靜脈-中央靜脈軸上解析了不同類型肝細(xì)胞的基因功能分布特征，并識(shí)別出一系列具有區(qū)域化分布的基因。

除此之外，團(tuán)隊(duì)還首次發(fā)現(xiàn)肝臟中存在約50-200微米的免疫微結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行定位并解析其中的免疫細(xì)胞組成，發(fā)現(xiàn)主要由T細(xì)胞和單核細(xì)胞組成。研究團(tuán)隊(duì)推測(cè)其可能是肝臟免疫響應(yīng)的特殊機(jī)制，可協(xié)助肝臟抵御外源細(xì)菌或抗原。

在另一項(xiàng)研究中，研究人員們則在相同技術(shù)的幫助下觀察膽汁淤積損傷后肝臟在自我修復(fù)時(shí)的分子過(guò)程。膽汁淤積是由于膽汁分泌及排泄障礙引起的，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致膽囊炎、肝硬化、肝衰竭等系列疾病的發(fā)生。在發(fā)生這種損傷后，肝臟中的門靜脈區(qū)肝細(xì)胞會(huì)重編程為肝祖樣細(xì)胞（LPLC），為肝細(xì)胞的增殖作出貢獻(xiàn)。在本研究中，科學(xué)家們觀察了該過(guò)程中的損傷響應(yīng)和微環(huán)境信號(hào)的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征。

現(xiàn)代科學(xué)如何理解肝臟功能？這兩項(xiàng)研究將如何加深我們對(duì)肝臟疾病的認(rèn)識(shí)？小鼠肝臟與人類肝臟有何區(qū)別？時(shí)空組學(xué)技術(shù)到底是什么？為回答這些問(wèn)題，澎湃科技記者采訪了研究團(tuán)隊(duì)中的多名研究者。

【對(duì)話】

基因與細(xì)胞視角下的肝臟

澎湃科技：本次研究主要關(guān)注肝臟的哪些方面？

許江山（肝臟穩(wěn)態(tài)-肝切除-再生時(shí)空?qǐng)D譜論文共同第一作者、杭州華大生命科學(xué)研究院副研究員）：肝臟是人體內(nèi)最重要的代謝器官之一，參與蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物等物質(zhì)的代謝和調(diào)節(jié)。它具有解毒功能，能夠清除體內(nèi)的有害物質(zhì)和代謝產(chǎn)物。此外，肝臟還能合成許多重要的生物活性物質(zhì)，如白蛋白、膽固醇、膽汁酸和凝血因子等。

肝臟由其基本結(jié)構(gòu)單元肝小葉組成，每個(gè)肝小葉類似于一個(gè)立體正六邊形結(jié)構(gòu)，中央靜脈位于正六邊形的中心，外周門靜脈、肝動(dòng)脈和膽管共同位于正六邊形的外周頂點(diǎn)，血流從外圍頂點(diǎn)流向中心。伴隨著血流而來(lái)的氧氣以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)逐步被肝細(xì)胞吸收和代謝，形成了其獨(dú)特的氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)連續(xù)梯度分布現(xiàn)象，即肝臟分區(qū)（Liver zonation）。這一分區(qū)實(shí)際上也是肝臟細(xì)胞行使功能分工的基礎(chǔ)，比如在中央靜脈附近的肝細(xì)胞主要負(fù)責(zé)解毒功能，而周圍的門靜脈附近的肝細(xì)胞則主要負(fù)責(zé)白蛋白合成，這一分工也保證了肝臟功能的高效行使，同時(shí)也帶來(lái)了疾病對(duì)不同區(qū)域肝細(xì)胞的易感性。

在本研究中，利用華大特有的時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，我們精細(xì)解析了肝臟在穩(wěn)態(tài)、損傷和再生情況下這一功能分區(qū)的時(shí)空動(dòng)態(tài)，包括肝臟中的細(xì)胞類型組成及其空間分布情況、基因表達(dá)空間信息，判別哪些基因表達(dá)具有肝臟分區(qū)特征，并在此基礎(chǔ)上探索了內(nèi)在的基因網(wǎng)絡(luò)和微環(huán)境特征。

澎湃科技：文章提到動(dòng)物肝臟在組織穩(wěn)態(tài)和擾動(dòng)期間的協(xié)調(diào)響應(yīng)機(jī)制尚不清楚，這為我們理解很多疾病造成了障礙。能否介紹一下已知理論中細(xì)胞之間大概是如何通訊并協(xié)同的？基因在里面發(fā)揮什么樣的作用？為什么說(shuō)理解這些現(xiàn)象能夠加深我們對(duì)疾病的認(rèn)知？

許江山：細(xì)胞間的通訊一般指的是細(xì)胞所處的微環(huán)境特性，包括了細(xì)胞通過(guò)分泌信號(hào)分子（如激素、生長(zhǎng)因子）、直接接觸（如巨噬細(xì)胞吞噬），或通過(guò)分泌細(xì)胞外基質(zhì)間接參與微環(huán)境。

這些微環(huán)境因素和細(xì)胞相互作用，影響了細(xì)胞的功能和行為，比如信號(hào)分子可以擴(kuò)散到周圍細(xì)胞，并與細(xì)胞表面的受體相互作用，觸發(fā)一系列信號(hào)傳導(dǎo)途徑，從而影響周圍細(xì)胞的基因表達(dá)。不同的基因表達(dá)模式可以導(dǎo)致細(xì)胞的不同狀態(tài)和功能，進(jìn)而影響整個(gè)組織和器官的功能。

理解細(xì)胞間通訊和協(xié)同對(duì)于我們認(rèn)知疾病非常重要。例如，在肝炎和肝纖維化中，炎癥和纖維化信號(hào)的紊亂可以導(dǎo)致肝細(xì)胞和非肝細(xì)胞之間的通訊紊亂，進(jìn)而導(dǎo)致炎癥反應(yīng)的持續(xù)激活和纖維化的過(guò)度沉積。類似地，在肝癌中，肝細(xì)胞和周邊免疫細(xì)胞之間的通訊紊亂可能影響腫瘤的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移。

澎湃科技：研究使用的是小鼠的肝臟，請(qǐng)問(wèn)小鼠肝細(xì)胞與人類肝細(xì)胞相似嗎？為什么不直接研究人體肝組織？

郝世杰（文章共同第一作者、杭州華大生命科學(xué)研究院博士研究生）：肝臟從脊椎動(dòng)物的共同祖先進(jìn)化而來(lái)，當(dāng)然也是哺乳類動(dòng)物保守的器官，因此小鼠肝臟和人類肝臟的細(xì)胞組成和轉(zhuǎn)錄組特征是很相似的。

但人體研究受限于性別、飲食、年齡等個(gè)體差異，較難從中得到普適性規(guī)律。并且損傷、再生的相關(guān)研究也難以在人體上展開(kāi)，因此，我們第一步先使用小鼠這一可控的模式動(dòng)物進(jìn)行研究。下一步，我們也會(huì)將研究拓展到人類肝臟的各種退行性狀況，如肝疾病（如脂肪肝、纖維化）或衰老等情況。

空間組學(xué)技術(shù)：基因信息與空間信息的整合

澎湃科技：能否介紹一下空間組學(xué)技術(shù)以及本研究所使用的Stereo-seq技術(shù)？研究中所產(chǎn)生的圖譜花了多長(zhǎng)時(shí)間繪制？主要反映了什么信息？

上官順成（肝臟穩(wěn)態(tài)-肝切除-再生時(shí)空?qǐng)D譜論文共同第一作者、深圳華大生命科學(xué)研究院生化工程師）：空間組學(xué)技術(shù)是一種用于研究組織或細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)的方法，它結(jié)合了空間信息和轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)通常只提供基因表達(dá)的整體信息，而無(wú)法提供細(xì)胞或組織內(nèi)基因表達(dá)的空間分布信息。而空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)通過(guò)將組織或細(xì)胞固定在其原始位置上，從而提供了基因表達(dá)的空間定位信息。這一技術(shù)的發(fā)展為研究人員提供了一種更全面、更準(zhǔn)確地理解基因表達(dá)的方法。

本研究使用的Stereo-seq技術(shù)，使用的是華大自主研發(fā)的時(shí)空芯片。芯片上布滿了數(shù)以億計(jì)規(guī)則陣列式排布的DNA納米球，每個(gè)納米球之間相距500納米（過(guò)去同類方法的精度在10 μm），每個(gè)球上都帶有自己獨(dú)特的標(biāo)簽，用來(lái)標(biāo)注特定的空間位置信息。研究人員用帶有位置信息的芯片，去結(jié)合新鮮組織冷凍切片，經(jīng)過(guò)一系列步驟，將細(xì)胞中的基因捕獲并擴(kuò)增成核酸文庫(kù)，并進(jìn)行測(cè)序。再經(jīng)過(guò)時(shí)空云平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理步驟，就能夠?qū)⒉东@的細(xì)胞實(shí)時(shí)基因表達(dá)信息和芯片上的空間位置信息一一對(duì)應(yīng)，即得到了文中肝臟組織切片的時(shí)空轉(zhuǎn)錄圖譜。

在本項(xiàng)研究中，數(shù)據(jù)的生成只花了短短不到1個(gè)月的時(shí)間，但是其中的生物學(xué)意義的解讀花了較長(zhǎng)的時(shí)間。這或許也是未來(lái)的趨勢(shì)，生成數(shù)據(jù)的速度遠(yuǎn)超常規(guī)解讀能力的發(fā)展，這可能是為什么我們需要人工智能的輔助。這些圖譜以前所未有的數(shù)據(jù)深度與廣度，解析了肝臟在穩(wěn)態(tài)、損傷及再生中的時(shí)空變化。

澎湃科技：未來(lái)該技術(shù)有何發(fā)展方向？可以應(yīng)用于別的器官嗎？有什么局限？

賴毅維（文章共同通訊作者、杭州華大生命科學(xué)研究院副研究員）：進(jìn)一步，我們期望基于現(xiàn)有的研究，聯(lián)合國(guó)內(nèi)外肝臟領(lǐng)域的專家，一方面是把新的組學(xué)技術(shù)方法，應(yīng)用到臨床的肝臟代謝性疾病、癌癥、衰老等問(wèn)題上，去解決切實(shí)的臨床問(wèn)題，尋找疾病治療和促進(jìn)肝臟修復(fù)的新方法；另一方面則是圍繞肝臟研究，發(fā)展新的檢測(cè)技術(shù)，把目前的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)拓展到更全面的空間多維組學(xué)信息，并借助深度學(xué)習(xí)等全新的人工智能技術(shù)，最終構(gòu)建數(shù)字化的肝臟模型。

該技術(shù)實(shí)際上已經(jīng)運(yùn)用于多個(gè)器官，比如我們利用時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，與蒲慕明院士領(lǐng)銜的中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）合作，構(gòu)建了食蟹猴全腦皮層的3D圖譜；也正在與金鳳實(shí)驗(yàn)室合作，期望在傳統(tǒng)的病理學(xué)基礎(chǔ)上，結(jié)合Stereo-seq發(fā)展數(shù)字病理學(xué)。未來(lái)，我們也希望能將這一技術(shù)從僅用于轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)展到可以同時(shí)捕獲更多維度的信息。

“透視”肝臟：“高清相機(jī)”下的結(jié)構(gòu)與機(jī)制

澎湃科技：能否介紹一下在肝臟穩(wěn)態(tài)時(shí)空?qǐng)D譜中的多項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)？

賴毅維：我們不但對(duì)肝細(xì)胞的基因梯度分布特征，也對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞、星狀細(xì)胞做梯度分布的基因做了全面的鑒定，找到了大量未被報(bào)導(dǎo)具有這一特征的基因。

比如，在肝細(xì)胞中我們發(fā)現(xiàn)乙肝病毒的受體NTCP，在中央靜脈周圍的肝細(xì)胞中具有非常高的表達(dá)特征，這也解釋了為什么乙肝病毒更多累積在中央靜脈附近的肝細(xì)胞中。這也為我們?cè)O(shè)計(jì)針對(duì)肝臟疾病的治療方法提供了參考。

澎湃科技：研究還首次發(fā)現(xiàn)肝臟中的一種免疫微結(jié)構(gòu)，能否介紹一下？

郭鵬程（文章共同第一作者、杭州華大生命科學(xué)研究院博士后）：我們認(rèn)為這一微結(jié)構(gòu)實(shí)際在過(guò)去不斷地被觀測(cè)到，但囿于形態(tài)學(xué)的觀察，過(guò)去的研究并未能夠總結(jié)其真實(shí)的特征。

借助時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，我們不但發(fā)現(xiàn)這一在肝臟中隨機(jī)分布的免疫微結(jié)構(gòu)主要由T細(xì)胞和單核細(xì)胞組成，也發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞具有響應(yīng)干擾素γ的下游基因特征。因此，我們猜測(cè)這一結(jié)構(gòu)的存在能夠維持肝臟快速響應(yīng)外源病原體感染的能力，使得肝臟能夠快速清除病原體。我們挖掘了過(guò)去的研究，發(fā)現(xiàn)類似的免疫微結(jié)構(gòu)也在皮膚、結(jié)直腸中被鑒定發(fā)現(xiàn)。但其真正的功能及作用機(jī)制仍有待研究。

澎湃科技：研究還分析了肝臟內(nèi)各種細(xì)胞在肝臟再生過(guò)程中的協(xié)調(diào)過(guò)程，并發(fā)現(xiàn)了一個(gè)炎癥誘導(dǎo)調(diào)節(jié)因子TBL1XR1。能否介紹一下？

郭鵬程：TBL1XR1是一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子（能夠以序列特異性方式結(jié)合DNA 并且調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)）的輔助因子，目前認(rèn)為這個(gè)因子參與肝臟的脂肪分解代謝調(diào)控，它的功能喪失會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的脂肪肝，也被證明與肝癌的發(fā)生存在關(guān)聯(lián)。

在我們的研究中我們發(fā)現(xiàn)，TBL1XR1會(huì)在肝切除后被激活，如果我們干擾這個(gè)因子的激活，肝臟再生就會(huì)被抑制。因此我們認(rèn)為TBL1XR1是一個(gè)促進(jìn)肝再生至關(guān)重要的調(diào)控因子。這也為臨床上通過(guò)調(diào)控TBL1XR1促進(jìn)肝再生從而達(dá)到治療肝臟疾病或肝癌提供了新的靶點(diǎn)。

澎湃科技：在膽汁淤積這項(xiàng)研究中，研究者發(fā)現(xiàn)膽管細(xì)胞在區(qū)域性損傷、肝細(xì)胞再生中擔(dān)任信號(hào)“樞紐”。能否介紹一下這個(gè)疾病，并描述這些過(guò)程？

吳柏華（膽汁淤積損傷與再生時(shí)空?qǐng)D譜論文共同第一作者、中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心惠利健研究團(tuán)隊(duì)博士研究生）：臨床上膽汁淤積性疾病主要包括原發(fā)性膽汁性膽管炎（PBC）與原發(fā)性硬化性膽管炎（PSC）、膽道閉鎖等。其主要的特點(diǎn)是在門靜脈區(qū)域膽管細(xì)胞和肝細(xì)胞的損傷，伴隨著免疫細(xì)胞的浸潤(rùn)以及纖維化，可逐漸發(fā)展至肝硬化、肝衰竭甚至死亡。膽汁淤積性疾病的發(fā)病機(jī)制目前尚不明確，臨床有效治療方案有限，因此迫切需要研究膽汁淤積癥的發(fā)病機(jī)制，以確定新的治療靶點(diǎn)。

膽汁淤積性疾病通常有著顯著的門靜脈區(qū)域多種免疫細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞的聚集，如此復(fù)雜多樣的細(xì)胞聚集在門靜脈區(qū)會(huì)強(qiáng)烈地影響微環(huán)境的損傷響應(yīng)，如導(dǎo)致細(xì)胞殺傷和促進(jìn)纖維化，從而加速膽汁淤積損傷。那么究竟是什么細(xì)胞主導(dǎo)了門靜脈區(qū)域的免疫組分的重塑呢？

我們通過(guò)猶如一臺(tái)“高清照相機(jī)”的高分辨空間組學(xué)技術(shù)，把損傷區(qū)域細(xì)胞的成分、表達(dá)都一一“拍”了下來(lái)。令我們意外的是，相比于傳統(tǒng)在損傷下活躍的細(xì)胞類型，如巨噬細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和肝竇內(nèi)皮細(xì)胞膽管細(xì)胞等，膽管細(xì)胞在塑造門靜脈區(qū)域的免疫細(xì)胞組分中起著更加突出的作用。具體來(lái)說(shuō)，我們發(fā)現(xiàn)膽管細(xì)胞分泌一系列趨化因子，強(qiáng)烈吸引免疫細(xì)胞過(guò)來(lái)，同時(shí)影響著損傷區(qū)域中LAM（脂質(zhì)相關(guān)巨噬細(xì)胞）的成熟。

除此之外，我們的數(shù)據(jù)也揭示了不同亞型的類肝前體細(xì)胞（LPLCs）。那么什么是LPLC呢？在之前的工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)膽汁淤積損傷下的肝細(xì)胞會(huì)重編程為L(zhǎng)PLC，這種狀態(tài)的肝細(xì)胞具有部分肝祖細(xì)胞的特點(diǎn)，能夠分化成肝細(xì)胞或膽管，這種屬性轉(zhuǎn)變是重要的，能夠貢獻(xiàn)肝臟再生。

但是什么因素使得一部分LPLC變成肝細(xì)胞，一部分變成膽管細(xì)胞呢？在我們組學(xué)鑒定的兩類LPLC中，我們發(fā)現(xiàn)，LPLC2在表達(dá)譜上與膽管細(xì)胞相似。在空間上，我們又一次利用“高清照相機(jī)”捕捉到，與LPLC1相比，LPLC2在位置上更接近膽管區(qū)域，這暗示了LPLC2和膽管細(xì)胞之間可能存在相互作用。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，膽管細(xì)胞強(qiáng)烈地表達(dá)了與肝細(xì)胞向膽管轉(zhuǎn)變相關(guān)的TGF家族因子。這就提示了膽管細(xì)胞與LPLC2向膽管譜系轉(zhuǎn)變高度相關(guān)。

轉(zhuǎn)載來(lái)源：澎湃新聞 作者：季敬杰