代謝被認為是發育過程中細胞分化的驅動因素。對人類腎臟發育過程中潛在代謝異質性和復雜性的研究，對于識別能夠改善內源性或外源性腎臟再生的化合物和策略至關重要。去年11月，荷蘭萊頓大學醫學中心的 Ton J. Rabelink 教授使用單細胞RNA測序、單細胞水平的空間代謝組學與免疫熒光結合的方式，識別了人類腎臟分化中的代謝細胞命運軌跡，相關研究成果以“Spatial dynamic metabolomics identifies metabolic cell fate trajectories in human kidney differentiation“為題發表在Cell Stem Cell期刊上。
研究結果
1. 單細胞轉錄組揭示人胚胎期腎臟發育過程中的代謝異質性與細胞轉變
為了探討人胚胎期腎臟發育過程中的代謝異質性，利用單細胞轉錄組學鑒定妊娠13周、16周和18周的人胚胎期腎臟樣本，涵蓋腎形成過程的各個發育階段，共鑒定出22種細胞類。
基于Reactome數據庫，作者對單細胞RNA測序數據集進行代謝基因集富集分析發現所有22種不同的腎細胞類型都具有獨特的代謝基因模式。代謝基因數據集的擬時序分析表明，腎始祖細胞（NPCs）向每個成熟腎單位成分的分化具有特定的代謝軌跡，也可以識別分化過程中的中間細胞類型，這表明代謝變化確實與腎臟發育過程中的細胞轉變有關。此外，遠端、近端和足細胞上皮的發育伴隨著明顯的代謝途徑變化，包括中樞能量代謝和脂質重塑。
2. 空間代謝組學揭示人胚胎期腎臟細胞的代謝異質性
作者應用單細胞水平的空間代謝組技術檢測妊娠16周人胎腎組織的代謝和脂質分布（高空間分辨率MALDI-MSI，5*5 μm2像素大小，腎細胞平均直徑約為10 mm）。隨后使用多重免疫熒光對MALDI-MSI分析的組織進行染色和成像，根據JAG1、WT1和ECAD（由基因CDH1編碼）的表達和腎臟結構的形態來識別不同的腎細胞類型。免疫熒光結果與MALDI-MSI數據進行匹配與重疊，得到了19種細胞類型的特征分子。這些細胞的特征分子基本都屬于脂質類分子（磷酸甘油酯、磷脂酰乙-醇胺等），而這些分子的組織分布基本也反映了細胞類型的空間分布。
3. 空間脂質組揭示人胚胎腎細胞發育軌跡
為了進一步探討腎臟發育過程中的脂質重塑，我們對空間脂質組數據進行擬時序分析。在三維的擬時序圖像中，能夠清晰地發現從腎始祖細胞出發的三條發育軌跡，并能夠在組織切片的層面上得到證明。并基于該數據集，發現可能與三條分化軌跡相關的脂質分子。
4. 近端管狀上皮細胞分化過程中的代謝轉換
為了研究胎兒腎臟發育過程中的動態代謝變化和營養分配，作者將空間代謝組學技術與同位素示蹤技術結合，構建了一個單細胞水平的空間代謝動力學平臺。當NPCs向成熟近端上皮分化時，觀察到糖酵解向線粒體脂肪酸β氧化（FAO）途徑的轉變。
5. 單細胞測序+空間脂質組揭示腎臟類器官近端上皮細胞的代謝特征
作者采用單細胞RNA測序技術對人誘導多能干細胞（hiPSC）衍生的腎臟類器官進行測序，共鑒定了23種細胞類型，包括主要的腎細胞類型PTs、DTs和足細胞，并觀察到早期PT和成熟PT細胞群的存在。這些數據表明，在hiPSC衍生的腎臟類器官和人類胎兒腎臟中觀察到類似的PT群體。
然后，作者對兩個hiPSC系（LUMC0072和iPSC MAFB）分化的hiPSC衍生的腎臟類器官進行空間脂質組檢測，在脂質分子的層面上證明了兩種類器官確實具有分化為PT細胞的能力，并表現出與之類似的代謝特征，但類器官（尤其是管狀結構）的總體脂質指紋與從人胎腎組織獲得的指紋有很大不同，缺乏在人胎腎中高度豐富的其他PT特異性脂質特征的表達，最可能反映了腎臟類器官管狀上皮的未成熟狀態。
6. 丁-酸鹽選擇性改善hiPSC衍生腎臟類器官近端小管的分化
在人胎腎PT的發育過程中，觀察到游離脂肪酸（FFA）介導的線粒體氧化增加。因此，我們探討了FAO在人誘導多能干細胞（hiPSC）衍生腎類器官中對PT分化的影響。與人類胎兒和成人腎臟中的PT相比，腎臟類器官PT缺乏長鏈脂肪酸（LCFA）運輸的關鍵基因CPT1的表達，而表達SCFA的轉運蛋白MCT1，這表明在類器官的發育中，短鏈脂肪酸可能對PT的分化具有重要作用。最后作者使用丁-酸和乙酸分別干預類器官，發現丁-酸確實可以促進PT細胞的分化，并上調了其標記基因的表達。
總 結
越來越多的證據表明代謝在細胞命運決定中起著重要作用。本文使用多組學技術描述了發育中的人類腎臟在腎形成過程中的代謝軌跡。在從腎小泡向S形體和近端小管分化的過程中，觀察到糖酵解向脂肪酸β氧化的轉變。此外，研究表明hiPSC衍生的腎臟類器官的特征是不成熟的代謝表型，無法使用線粒體長鏈脂肪酸進行能量代謝。此外，丁-酸鹽的補充增強了培養的腎類器官中管狀上皮的分化和成熟。該研究通過多組學分析深入了解了人類腎臟發育過程中代謝過程的空間和時間活動，有助于指導干細胞的分化調控。
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