《Nature》双文确定新肺细胞类型，或将颠覆对呼吸道疾病发生机制的认知

呼吸道疾病的背后元凶正在被揭开庐山真面目！

近日，两组来自美国的研究团队同时 Nature 发文，他们分别使用单细胞 RNA 测序技术解密数千个人类以及小鼠的呼吸道细胞的表达模式，绘制了详细的分子图谱，并独立且同时发现了同一种新的肺脏细胞类型—肺部离子细胞（pulmonary ionocytes）。这一新细胞类型的发现不仅是未来囊性纤维化（cystic fibrosis，CF）治愈的希望，更是重新认识呼吸道疾病的开始。

 

“我们的发现正在颠覆我们对肺部生物学以及肺细胞类型的认知，”其中一项研究的领导者，来自麻省总医院及 Broad 研究所的 Jayaraj Rajagopal 介绍到，“我认为，也许此时此刻所有肺脏学家都必须后退一步，重新审视自己投身已久的学科，重新思考每一种细胞类型的角色与价值。”

 

图 | 肺部离子细胞（橙色）穿过邻近的上皮细胞

 

囊性纤维化是一种常见的常染色体隐形遗传疾病，已有的研究发现，囊性纤维跨膜转导调控因子（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator, CFTR）的表达与囊性纤维化的发生密切相关。尽管在数量上只占到 1%，但肺部离子细胞中的 CFTR 表达水平要远高于其他类型的细胞。同时若肺离子细胞中的一个关键细胞过程被破坏，就会有致密粘液形成，而这也正是囊性纤维化的一个关键特征。

 

这意味着，如果可以将囊性纤维化的病因精准到某一特定细胞类型的功能异常，在采取基因疗法治疗时，就可以特异靶向某一细胞类型。同时，通过单细胞 RNA 测序技术从单细胞水平区分细胞类型，使研究者有机会更精准的认识疾病的发生机制，重塑对组织、器官的生物学理解，甚至彻底颠覆某些疾病的治疗思路。

囊性纤维化

囊性纤维化（cystic fibrosis，CF）又称囊肿性纤维化、囊肿性纤维变性等，是一种常染色体隐形遗传疾病。1989 年，华人分子遗传学家徐立之成功分离了导致囊性纤维化的重要基因—囊性纤维跨膜转导调控因子（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator, CFTR）基因。

 

一般来说，只有两条等位基因同时突变时患者才会发病，主要表现为汗液、消化液、体液以及粘液的分泌异常。此病症常发生于胰脏、肝脏、肾脏及肠等部位，其中以肺部的病变最为常见。囊肿纤维化所产生的浓稠粘液会阻碍细小的气管，这些粘液在肺部成为细菌繁殖的场所，使得肺部反复受感染发炎而导致肺部组织的变化，最终表现为呼吸困难，目前并无方法可以治愈该疾病。

 

图 | 患有囊性纤维化的患者肺部常有浓稠的粘液阻碍呼吸

 

尽管30 年前就已经获知了 CFTR 突变与囊肿纤维化之间的关系，但时至今日，科学家们仍旧在摸索治疗方案，而其中一个重点就是找到 CFTR 的“出处”，对“症”下药。

 

几十年来，研究者们普遍认为 CFTR 是在纤毛细胞中低水平表达，那纤毛细胞是否正是 CFTR 表达的老巢呢？

 

说到寻找藏身之所，首先就要从细胞类型的认识开始。在过去的两百年间，光学和电子显微镜的使用使得研究者们有条件通过区分细胞的形态、位置、基本功能等信息对细胞进行基本分类，近 20 年来，随着分子生物学技术的发展，通过分子标记物对细胞进行分类使人们对不同类型细胞的功能有了更深入的了解。

 

图 | 小鼠气道中的肺部离子细胞（绿色）和纤毛细胞（紫色）

 

而如今，发展中的单细胞 RNA 测序技术正在解开细胞间的多样性，研究者可以以单个细胞为单位，获得更多分子水平的信息，通过不同细胞的基因表达模式、蛋白标志物进行细胞分类，做到多维度、更精细、更准确。

 

而今，为了更好地理解 CFTR 与囊性纤维化及细胞类型之间的关系，来自麻省理工 Broad 研究所和诺华公司的研究者们不约而同的想到用单细胞 RNA 测序技术绘制气道组织的细胞“图谱”，追踪细胞类型起源及发育轨迹，最终更好的理解囊性纤维化及其他呼吸道疾病的发生机制。

肺部离子细胞

 

在题目为“A revised airway epithelial hierarchy includes CFTR-expressingionocytes” 的研究中，由 Jayaraj Rajagopal 带领的研究团队通过单细胞 RNA 测序技术，分析了约 7500 个小鼠的气道细胞，成功绘制了气道组织的细胞“图谱”，并确定了一种之前文献中并未加以描述的细胞类型—肺部离子细胞（pulmonary ionocytes）。

 

这是一种较为罕见的细胞类型，由于其基因的表达模式类似于鱼类及青蛙皮肤中常见的离子细胞，因而将其命名为肺部离子细胞。尽管在人类和小鼠的气道中，离子细胞只占群体总数的 1%，其作用却不可小觑。进一步的研究发现，呼吸道中绝大多数的 CFTR 都是在肺部离子细胞中表达，也就是说肺部离子细胞正是 CFTR 的主要来源。

 

这意味着囊性纤维化的发生很可能与肺部离子细胞的功能异常密切相关，而肺部离子细胞很可能就是治愈囊性纤维化的关键。为了再次证明猜测，研究者在小鼠模型中故意破坏肺部离子细胞中某一关键的分子过程，结果出现了囊性纤维化的关键特征—致密粘液形成。

 

同时，来自诺华的研究者们也独立发现了新型肺细胞—肺部离子细胞的存在。在题目为“A single-cell atlas of the airway epithelium reveals the CFTR-richpulmonary ionocyte” 的研究中，同样通过单细胞 RNA 测序技术，研究者们对数千个人类支气管上皮细胞及小鼠气管上皮细胞进行分析，获得了不同细胞类型在体内稳态及组织修复再生中的行为特征，成功描述了细胞间的异质性。

 

新技术带来的新视角

囊性纤维化并非是一种陌生的疾病，但新的技术却给临床研究者带来了新的理解，也为患者们带来生的希望。

 

“这简直是新技术（如单细胞 RNA 测序）为生物学领域带来新理解的绝佳范例，”来自凯斯西储大学（Case Western Reserve University）的遗传学家 AnnHarris 并没有参与研究，但仍旧对这两个项目评价甚高。

 

图 | 小鼠的气管内表面分布着多种类型的细胞（图片来源：Nature）

 

而事实也的确如此，就囊性纤维化而言，此次的研究结果揭示了 CFTR 表达与肺部离子细胞的密切关系，这意味着如果采用基因疗法对其进行治疗，则可以直接靶向离子细胞，提升治疗效率及治愈可能。

 

同时，对于疾病的理解而言，这两项研究结果将疾病的发生单位从器官细致到单细胞水平，通过单细胞 RNA 测序技术从单细胞水平对细胞类型进行区分，确定蛋白标志物以及转录因子的表达模式，使研究者更精准的认识疾病的发生机制，重塑对组织、器官的生物学理解，甚至彻底颠覆某些疾病的治疗思路。

 

而随着单细胞测序技术的不断改进和成本的不断降低，也许未来将会有更多的疾病需要经受科技“目光”的重新考量。

 

-End-

参考：

https://www.nature.com/articles/d41586-018-05813-7

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0393-7

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0394-6

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