芯空一号快讯 - 单细胞与空间转录组联合构建人胎肺上皮发育的时空图谱

题目：Early human fetal lung atlas reveals the temporal dynamics of epithelial cell plasticity

期刊：Nature Communications

IF：15.7

DOI：10.1038/s41467-024-50281-5

研究背景

肺是典型的多细胞复合器官。在早期发育阶段，上皮祖细胞通过精确的分化路径和空间定位，决定其命运和功能。然而，人类胎肺发育机制长期依赖小鼠模型推测，尚缺乏对早期人类肺部细胞构成、发育轨迹及空间组织的系统理解。

本研究整合单细胞转录组平台与空间转录组平台，深入解析19例人类胎肺样本（孕周10–19）中上皮谱系的发育路径，重点聚焦CFTR⁺祖细胞的谱系可塑性，并探讨其受控的时空信号机制，构建出全面的人早期胎肺细胞图谱。

技术手段

研究共纳入19例健康胎肺组织，覆盖孕周第10周至第19周这一上皮谱系快速演化的关键时段。团队首先基于10x Genomics单细胞转录组平台，系统地识别出多种细胞类型与状态，结合轨迹算法，重建了CFTR⁺祖细胞向多类上皮细胞亚型的分化路径。为进一步揭示细胞谱系的空间机制，研究通过10x visium空间转录组平台，对妊娠第15周与第18周的样本进行了分析，精准定位关键基因在组织结构中的表达分布，构建出具有时间动态与空间坐标的人类胎肺上皮发育图谱。

主要发现

1.CFTR⁺谱系祖细胞展现出阶段可塑性

通过10x单细胞转录组测序，研究团队识别出四类CFTR高表达的上皮祖细胞群体，其中一类三阳性细胞（SCGB3A2⁺ / SFTPB⁺ / CFTR⁺），被命名为TP细胞，是连接芽尖祖细胞与多种成熟上皮细胞亚型的重要中间状态。轨迹分析发现，这些CFTR⁺祖细胞具备明显的时间依赖性发育偏好：在孕早期（GW10–13），TP细胞更倾向于分化为肺神经内分泌细胞（PNEC）；而到了GW14–18孕中期及之后，TP细胞逐步偏向生成纤毛细胞、杯状细胞及部分基底细胞。这种谱系可塑性和时间阶段性，表明CFTR⁺祖细胞不仅是肺上皮建构的基础单位，也在发育进程中承担着灵活响应发育信号的“分化枢纽”角色。

CFTR⁺谱系祖细胞的发育轨迹及时间依赖性

2.空间图谱揭示谱系转换的组织空间坐标

在肺组织中的空间迁移路径。空间定位结果显示，NKX2-1⁺SOX9⁺CFTR⁺祖细胞主要集中在分支点区域，而TP细胞则富集于相邻的茎区，提示TP细胞作为中间状态的空间特性。TP细胞分化而来的多种成熟上皮细胞，如PNEC、纤毛细胞和杯状细胞，则逐步沿气道结构向管腔近侧排列，呈现出沿气道轴线“迁移式展开”的空间谱系演化模式。这一结构和功能的对应关系强化了空间坐标在谱系命运决策中的关键作用，也为精确再现肺的发育过程提供了解剖定位基础。

上皮细胞谱系结构与空间表达

3.细胞谱系分化受时间相关信号调控

结合细胞通讯分析与空间邻域分析，研究揭示了谱系分化背后的时间依赖性。在GW10–13阶段，主要由气道成纤维祖细胞分泌的FGF2和FGF7信号主导，驱动TP细胞偏向分化为PNEC。而到了GW14–19阶段，气道平滑肌细胞开始主导释放FGF18，转而诱导TP细胞向纤毛细胞谱系分化。此外，WNT和NOTCH通路在发育各阶段的动态活性变化，也进一步证实了肺发育过程中的时间依赖性原则。揭示谱系分化是由祖细胞状态、空间定位与时序信号三者交织调控的结果。