肠道由复杂的细胞网络组成，具有高度分隔化和专门化结构。肠依靠肠上皮的不断再生来维持体内平衡。再生途径的中断可能导致肠道病变的发生，例如炎症性肠病（IBD）。肠道必须快速适应，以促进损伤后的组织再生和愈合。但稳态条件下的肠道细胞和分子通路以及如何适应挑战还有待充分描述。

卡罗林斯卡研究所研究团队利用空间转录组学比较了稳态和愈合时结肠组织的空间转录组状态，识别并空间定位了组织修复过程、免疫细胞激活/富集、再生途径和组织重塑的转录特征。在稳态条件下，证明了一种此前未被了解的结肠分子区域化，该区域化在粘膜愈合过程中发生了显著变化。研究团队绘制了人类结肠基因表达图谱，揭示了单个基因在组织中的表达位置。这是第一次将健康和损伤后恢复时整个肠道的基因表达可视化。该研究成果发表在Nature Communications上，文章题为“The spatial transcriptomic landscape of the healing mouse intestine following damage”。

文章发表在Nature Communications

文章通讯作者、卡罗林斯卡学院Eduardo J. Villablanca表示：“空间转录组学驱动的可视化方法使我们能够发现一些未被发现的信息，例如结肠被分成比以前想象更多的部分。基因图谱可以用来观察结肠中人类细胞的哪些部位是活跃的，为新的治疗方法和药物的开发做出重要贡献。”

该研究使用的空间转录组学技术是由KTH皇家理工学院和卡罗林斯卡学院的研究团队在SciLifeLab共同开发的。该技术可以可视化组织中的基因表达。为了使像结肠这样的长管状器官可视化，该研究团队以一种新颖的方式应用了这项技术：通过像瑞士卷一样卷起结肠，成功地应用并绘制了长管状器官的整个基因表达图谱。

图1.空间转录组学揭示稳态鼠结肠组织的分子区域化。来源：Nature Communications

首先，研究团队表征了稳态条件下结肠组织的转录组景观，通过10X基因组学平台Visium处理了ST的冷冻结肠样本（图1a）。过滤掉非编码RNA（ncRNA）和线粒体蛋白编码基因后，得到的数据集由2604个单个点组成，平均每个点约有4125个基因和约11801个独特的转录本。

研究确定了3种基本的结构转录组，它们在组织学上可辨别为肠上皮细胞（IEC）（NNMF 3），固有层（LP）和IEC（NNMF 2）混合物以及肌肉（NNMF 1），揭示了稳态条件下小鼠结肠上皮的独特分子区域化，例如ADH1在LP和IEC间室混合表达；Car1、Mettl7b、Emp1、Fabp2和Hmgcs2在近端结肠高度表达。值得注意的是，研究人员发现了一个以前未被重视的稳态条件下结肠组织的分子区域化。

图2.人类细胞类型映射到小鼠空间转录组数据集。来源：Nature Communications

研究人员将人类ST数据集与小鼠ST数据进行了整合，发现某些肠道细胞在小鼠和人类中的位置是相同的，表明人类细胞信号在小鼠结肠内的特定定位。这一研究策略可成为了解不同疾病如何影响结肠的工具，例如IBD。重要的是，当将人类细胞映射到该研究的ST数据集时，发现近端和远端位置转录组特征的保守性，表明新发现的分子区域化在哺乳动物中是保守的。

图3.在粘膜愈合过程中，转录组变化在远端结肠占主导地位。来源：Nature Communications

研究团队对组织修复过程进行了详细分析。对黏膜愈合过程中转录组的无偏分析表明，虽然远端结肠发生了显著的转录组变化，但近端结肠几乎保持了与稳态相当的水平。远端结肠的显著变化与溃疡性结肠炎患者观察到的表型一致。除了组织修复过程中转录组改变的近端-远端差异外，分析显示远端结肠内部存在的高度区域化。

该研究表明空间基因组学技术可用于绘制临床相关基因和通路，研究发现溃疡性结肠炎亚组的基因与再生结肠受损区域的不良治疗反应相关。“我们现在想通过同样的方法为所有消化器官组织创建一个类似的基因表达图谱，从口腔到直肠，”Villablanca解释道。消化器官的基因图谱在很多方面都有重要应用，包括探索肠道细菌和细胞基因表达之间的联系，以及更好地理解不同的饮食如何影响其各种功能。

参考资料：

1.Sara M. Parigi et al, The spatial transcriptomic landscape of the healing mouse intestine following damage, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-28497-0

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28497-0

2.Colonic gene mapping gives insights into intestinal diseases

https://medicalxpress.com/news/2022-02-colonic-gene-insights-intestinal-diseases.html