腎臟是人體最重要的內臟器官之一，對維持機體的酸堿平衡👩‍❤️‍💋‍👩🤶🏻、調節水鹽代謝📧、排泄代謝廢物以及調節血壓等方面都具有重要作用。過去幾十年來基於小鼠模型的研究▶️，已經相對完整地揭示了哺乳動物胚胎期腎臟的發育過程。然而由於小鼠和人類物種間差異的存在🛏，長期以來對於人類胚胎期腎臟發育過程始終沒有得到很好的說明🫱🏻，特別是關於腎臟發育過程中一些重要細胞類型的起源及其功能，以及參與完整腎單位發育成熟的分子調控機製等方面都亟待進一步的研究。同時，來自臨床的證據表明，胚胎期腎臟的發育異常以及先天性的腎臟疾病都會直接影響胎兒的存活以及後續生長發育。然而目前關於這類腎臟異常發育的分子機製仍然沒有得到很好的闡釋。

　　2018年9月25日，意昂2平台未來基因診斷高精尖創新中心（ICG）🤩、生命科學學院生物醫學前沿創新中心湯富酬教授研究組與意昂2平台第三醫院喬傑教授研究組合作在Cell Reports在線發表題為“Dissecting the global dynamic molecular profiles of human fetal kidney development by single-cell RNA sequencing”的研究論文🧘🏿。該研究對來自人類胚胎期7周到25周腎臟的3000多個單細胞進行了高精度的單細胞轉錄組測序分析🙆🏿‍♂️。整個工作圍繞腎臟發育過程中完整腎單位形成這一核心生物學事件👩🏼‍⚕️，詳細闡述了起始腎單位形成的前體細胞的異質性🎟，分析了由腎單位前體細胞逐步分化產生不同類型的腎小管上皮細胞過程中對應的轉錄調控事件和信號通路調節機製🧙🏿‍♂️。該研究還重點展現了目前已經鑒定的先天性腎病的候選致病基因在胚胎期腎臟中的表達特點。該研究的主要發現如下：

　　（1）發現能夠起始人類腎單位產生的帽狀間質細胞存在兩個亞群🪇。已知帽狀間質細胞是產生腎單位的主要前體細胞。該研究發現🤹🏿‍♀️，從胚胎早期到晚期的發育過程中，帽狀間質細胞存在兩個亞群，其中一群（CM1）表現出和細胞自我更新相關的基因表達特性，而另一群(CM2)則表現出與腎臟上皮細胞發育相關的特征（圖1）。這表明在胚胎早期，具有自我更新能力的帽狀間質細胞亞群(CM1)維持了在腎單位發生過程中前體細胞的數量和功能🧜🏻‍♂️，與此同時部分前體細胞(CM2)則開始進入分化狀態並產生腎小管上皮細胞。這兩個細胞亞群之間通過前體和分化細胞之間的動態平衡維持腎單位的不斷產生。

　　圖1.人類胚胎期腎臟帽狀間質細胞的異質性特征

　　（2）鑒定了調控人類腎小管上皮形成和分區的主要信號通路👩🏼‍⚕️。在腎小管上皮形成過程中，小管分區形成近端小管、遠端小管、以髓袢（Loop of Henle）等執行不同生理功能的上皮細胞結構。該研究重點分析了參與調控腎小管上皮形成以及分區的轉錄因子和信號通路, 發現PI3K信號通路參與調控了近端小管上皮細胞的發育，MAPK信號通路參與了髓袢上皮細胞的形成🤘，而收集管上皮細胞的發育則受到WNT信號通路的調控（圖2）。同時該研究還發現，人類胚胎期腎臟的代謝功能主要由近端小管和收集管上皮細胞來完成。

　　圖2.調控腎小管上皮細胞形成的轉錄因子及信號通路

　　（3）發現在人類腎臟收集管發育過程中，AQP2陽性（AQP2+）的主細胞先於CA2陽性（CA2+）的閏細胞出現🧛🏽‍♀️，說明CA2陽性的閏細胞很可能來源於AQP2陽性的主細胞的分化。收集管細胞主要由兩種上皮細胞組成：主細胞（AQP2+）和閏細胞（CA2+），在小鼠腎臟中這兩種細胞被證明由Hoxb7陽性（Hoxb7+）的前體細胞分化而來。該研究發現在胚胎期收集管中🚣🏻‍♂️，隨著HOXB7表達的下降，AQP2的表達上升而CA2的表達則沒有出現明顯的變化👩‍💼。同時基於免疫熒光標記的結果也發現，在胚胎第7周只檢測到AQP2陽性的細胞➰🏊🏽‍♀️，而到胚胎第10周時在腎臟組織中能夠同時檢測到AQP2單陽性以及AQP2/CA2雙陽性的細胞（圖3）⛷。表明人類胚胎期腎臟收集管首先發育產生AQP2陽性的主細胞，同時在收集管的進一步發育過程中會產生AQP2/CA2雙陽性的過渡態細胞🧑🏻‍🦰，最後再產生CA2單陽性的閏細胞，這揭示了腎臟收集管兩類上皮細胞的發育過程。

　　圖3.收集管上皮發育過程中AQP2 和CA2 的表達變化

　　（4）發現已知的先天性腎病的候選高危致病基因在腎臟發育過程中其表達具有很強的細胞類型特異性，如巴特綜合征（Bartter syndrome）的候選高危致病基因的表達全部富集在腎臟遠端小管中，範科尼腎小管綜合征（Fanconi renotubular syndrome）的主要候選基因的表達富集在近端小管。同時該研究也發現大部分候選高危致病基因的表達都會在帽狀間質細胞中富集𓀘𓀚，如多囊腎病（Polycystic kidney disease）、腎病綜合症（Nephrotic syndrome）以及先天性腎萎縮（Renal Hypodysplasia/aplasia）等🧎🏻‍♀️。這表明腎臟發育過程中前體細胞的異常對於先天性腎病的發生很可能具有重要影響（圖4）😮‍💨。

　　圖4.先天性腎病候選高危致病基因在人類胚胎期腎臟特定細胞類型中的表達

　　該研究在單細胞尺度上揭示了人類胚胎期腎臟的發育過程，重點展現了帽狀間質細胞的異質性組成對於維持完整腎單位形成的重要意義，同時對調控腎小管上皮發育的重要生物學事件進行了系統分析，這些數據建立了一個全面的人類胚胎期腎臟發育的基因表達圖譜，對於深入認識和理解人類腎臟的發育以及在先天性腎病的治療方面都具有重要的參考意義💁🏽。同時，該研究詳細介紹了腎臟中不同類型細胞在發育過程中所受到的調控性作用，這對體外利用腎臟前體細胞誘導形成功能性的腎臟類器官具有重要的參考價值。

　　意昂2平台未來基因診斷高精尖創新中心博士生王萍🥯、陳依東為該論文的並列第一作者👛👨🏿‍🍳，湯富酬和喬傑為該論文的共同通訊作者。該項工作得到了國家自然科學基金委、科技部🏨、未來基因診斷高精尖創新中心以及生命科學聯合中心（CLS）的支持。

（意昂2官网新聞網）

編輯：柳欣