Dev. Cell | 北京大学徐成冉课题组从单细胞水平解析肝实质细胞成熟发育过程

2023-08-09 12:08

2023年8月8日，北京大学基础医学院、北大-清华生命科学联合中心、女性生育力促进全国重点实验室徐成冉课题组在《Developmental Cell》在线发表题为“Determination of key events in mouse hepatocyte maturation at the single-cell level”的研究论文，在单细胞水平上研究了肝实质细胞成熟发育过程中关键的生物学事件和调控因子。

肝脏对于血糖稳态维持、代谢调控及药物解毒等至关重要。肝实质细胞是执行肝脏功能的主要细胞类型，其发育缺陷或病理性损伤会破坏肝脏功能，导致肝脏疾病。由人类多能性干细胞诱导得到的肝实质类细胞是治疗严重肝脏疾病的一种有前景的方法。但由于对肝实质细胞成熟发育过程缺乏充分了解，现有体外诱导方法产生的肝实质类细胞的功能并不成熟。因此，全面且精确地理解肝实质细胞成熟发育过程并确定关键调节因子对于改进体外肝实质类细胞诱导方法是极其重要的。

肝实质细胞在胚胎发育过程中由双潜能肝母细胞分化而来，在出生后经历了一个漫长的发育过程，直到青春期达到功能成熟。课题组早期的研究解析了胚胎期肝母细胞分化过程，确定了肝母细胞向肝实质细胞的转变在胚胎期15.5天前基本完成【1-3】。为了精确研究肝实质细胞的成熟发育过程，课题组利用Alb-Cre;Rosa-tdTomato 遗传标记小鼠，在覆盖肝实质细胞从分化形成到功能成熟的一系列时间点收集了肝实质细胞进行高精度单细胞转录组研究。结果显示，肝实质细胞成熟发育过程可分成三个阶段，在每个阶段形成特定的代谢功能并呈现出不同的细胞增殖率；肝实质细胞的分区化分布（zonation）是随着成熟发育逐步建成的；不同倍性的肝实质细胞和不同倍性的细胞核表现出分布的分区化偏好和成熟发育的不同步性。通过基因调控网络分析，课题组进一步确定了多个与成熟发育或分区化分布相关的候选转录因子。利用rAAV传递系统和CRISPR-Cas9基因编辑工具，结合单细胞分析建立的发育轨迹坐标，验证了部分候选因子在调节肝实质细胞成熟发育或分区化建成中的功能。因此，本研究在单细胞水平上描绘了肝实质细胞成熟发育中重要事件的发生过程，为体外优化肝实质类细胞定向分化提供了重要的发育生物学信息。

终端分化细胞的成熟发育过程通常被多种因子调控，单独敲除某种因子可能只产生较弱的表型，很难通过传统的形态学和生理学等检测手段加以确定。本研究通过单细胞分析建立了可以定量细胞成熟进程的标尺，并结合基因编辑技术，能够灵敏地确定特定基因在细胞成熟调控中的功能。考虑到体内肝实质细胞数量丰富且易进行遗传学和分子生物学操作，本研究提供了一种体内“定量系统生物学”研究的模型，用于深度解析基因网络对细胞成熟和稳态的调控。