近期，西北農林大學姜雨教授和奧胡斯大學房靈昭教授等聯(lián)合團隊在國際權威期刊Advanced?Science發(fā)表研究成果：“Single-Cell?Transcriptomic?Atlases?of?Camels?and?Cattle?Unravel?Molecular?Evolution?of?Digestive?and?Metabolic?Systems”。

該研究測序策略：構建了涵蓋駱駝（21個組織）與牛（33個組織）的單細胞/單核轉錄組圖譜，并整合已發(fā)表的牛、羊、豬、小鼠及人多組織單細胞數(shù)據，開展跨物種比較分析。研究發(fā)現(xiàn)，駱駝不僅保留了與牛真胃同源的腺囊胃室，還演化出特有的血管平滑肌細胞，可能為其高效血壓調節(jié)提供細胞基礎。這項研究不僅為畜禽適應性進化提供新見解，也為人類代謝疾病研究提供了跨物種比較框架。百邁客生物為該研究提供了百創(chuàng)空間轉錄組BMKMANU?S1000服務。

研究背景

對多腔胃哺乳動物進行細胞與分子特征分析，有助于深入理解消化與代謝系統(tǒng)的進化機制。駱駝進化出了一套獨特的多室分布式消化策略，與牛的集中式消化模式形成鮮明對比。二者在消化與代謝系統(tǒng)中所展現(xiàn)的物種特異性細胞組成及分子特征差異，這引出了一個關鍵的科學問題：多腔胃動物適應性進化的細胞基礎是什么？

研究結果

? 駱駝與牛的單細胞轉錄組圖譜構建

該研究對駱駝的21種組織（160,682個細胞）和牛的33種組織（264,472個細胞）進行了單細胞RNA測序（scRNA-seq）或單核RNA測序（snRNA-seq），共注釋出124種細胞類型，其中59種為駱駝和牛所共有?；阼b定出的15,324個直系同源基因，研究者整合了兩個物種的單細胞轉錄組數(shù)據進行分析。結果顯示，肝細胞、內皮細胞、免疫細胞和上皮細胞在物種間表現(xiàn)出較高的相似性，而生殖細胞的相似性較低，這可能與其作為進化速率最快的細胞類型有關。本結果系統(tǒng)揭示了駱駝多種組織的細胞類型組成，并刻畫了兩種物種間對應細胞類型的保守性與異質性。

? 多腔胃結構細胞的異質性分析

多腔胃是駱駝和牛高度特化消化道的標志性特征。為探究駱駝與牛胃腔中細胞類型組成及其基因表達模式的保守性與差異性，作者針對胃腔單細胞數(shù)據集進行分析，通過比較胃部結構性細胞，發(fā)現(xiàn)上皮細胞的聚類由組織來源決定，而非物種。

駱駝腺囊（GS）與第三胃室（C3）識別出一個獨特的轉錄調節(jié)模塊，其中包含SOX8、UNCX等調控因子，促進細胞增殖與遷移。駱駝GS與真胃具有共同起源，但已獲得獨特的特化特征。保守的細胞和分子特征使GS在發(fā)育過程中能夠執(zhí)行類似真胃的核心功能。同時，GS與C3中以高表達促增殖和遷移基因為特征的獨特上皮亞型，代表了關鍵的譜系特異性創(chuàng)新。

因此，作者提出GS從共同的祖先胃結構演化而來，隨后在駱駝中經歷特定特化過程，這一過程可能由這些新型細胞類型驅動，以支持其獨特的器官發(fā)生和功能維持。駱駝第一胃室（C1）上皮缺乏乳頭結構，正向選擇基因的細胞偏向性表達模式表明，自然選擇在塑造駱駝和牛C1上皮細胞的特征。C1上皮的細胞類型具有保守性，且成纖維細胞是三種物種中形成C1上皮乳頭狀結構差異的主要細胞類型。

? 駱駝與牛對營養(yǎng)吸收與代謝的偏好研究

為評估前胃特化對植物性飼料利用的影響，作者提取了駱駝和牛的小腸及肝臟單細胞轉錄組數(shù)據進行跨物種比較。

結果表明，駱駝肝細胞高表達脂酸代謝基因（如ACSL4、ACSL5、ACOX1）和PPAR信號通路相關基因，顯示出更強的脂質轉化與儲存能力；而牛肝細胞則高表達藥物代謝和淀粉蔗糖代謝基因，可能更適應飲食波動及飼料中的外源性物質處理。

在腸道方面，牛腸上皮細胞中有機鹽轉運基因上調，利于吸收瘤胃微生物產生的揮發(fā)性脂肪酸；駱駝腸細胞則高表達水通道蛋白基因，與其干旱適應機制相符。這些發(fā)現(xiàn)共同表明，駱駝與牛在營養(yǎng)吸收與代謝方面存在明顯差異，且駱駝肝臟在長鏈脂肪酸代謝上更具優(yōu)勢，可能有助于避免過度脂肪沉積。

? 腎臟血管平滑肌細胞（VSMCs）異質性分析

為探究與駱駝腎臟獨特功能相關的主要細胞類型及其分子特征，作者聚焦于駱駝腎臟的單細胞轉錄組數(shù)據，鑒定出一類特殊的血管平滑肌細胞，并將其命名為S100A4+VSMCs。該細胞高表達血管緊張素II受體基因AGTR1，而收縮相關基因（如MYH11）表達較低。比較分析顯示，S100A4+VSMCs未在小鼠、豬、牛及人等哺乳動物的腎臟中被發(fā)現(xiàn)，表明其可能為駱駝所特有。

作者進一步采集駱駝腎臟組織進行空間轉錄組學分析，證實了S100A4+VSMCs在腎臟中的實際存在，并發(fā)現(xiàn)其主要分布于腎小球的入球與出球小動脈區(qū)域。與典型的收縮型VSMCs相比，S100A4+VSMCs被預測具有更高的分化程度。通過受體?配體共定位分析，研究提示這兩類血管平滑肌細胞亞型之間存在直接相互作用，且可能通過DLK1?NOTCH3信號軸介導。S100A4+VSMCs可能通過調節(jié)腎小球入球與出球小動脈對血管緊張素II的局部反應，在血壓調節(jié)中發(fā)揮重要作用。

研究總結

該研究構建了駱駝與牛的多組織單細胞轉錄組圖譜，并提供了駱駝腎臟的空間轉錄組數(shù)據，為解析物種特異性生物學特征及其進化歷程提供了重要資源?；谖?、腎臟及肝臟等關鍵消化代謝器官的跨物種比較，研究不僅驗證了駱駝胃部的起源假說，還揭示了特定細胞類型的基因表達變化如何幫助駱駝肝臟避免過度脂肪沉積。

此外，作者在駱駝腎臟中發(fā)現(xiàn)了一類新型血管平滑肌細胞，該細胞可能在腎臟適應干旱、高鹽環(huán)境的過程中發(fā)揮關鍵調節(jié)作用。綜上所述，該研究從分子與細胞層面闡釋了駱駝適應性進化的內在機制，為理解哺乳動物器官系統(tǒng)的進化與功能多樣化提供了新的視角。