期刊：Nature communications
影响因子：15.7
主要技术：scRNA-seq、snRNA-seq

导语
七鳃鳗作为一种无颌脊椎动物，在理解脊椎动物进化方面扮演着关键角色。然而，由于缺乏对多种七鳃鳗器官的细胞学研究，阻碍了该领域的进展。因此，本研究构建了一个包含 604460 个细胞核和 70 种细胞类型的综合细胞图谱，涵盖了 14 个七鳃鳗组织样本。跨物种的细胞进化比较表明，大多数七鳃鳗细胞类型与有颌脊椎动物的同源。尽管七鳃鳗缺乏实质器官，但我们发现了腺泡样和胰岛样细胞群，这为脊椎动物胰腺功能的证据提供了依据。此外，我们研究了七鳃鳗免疫细胞群的异质性。Natterin 在颗粒细胞中高度表达，定位于脂滴中。我们还开发了一种表达 Natterin 的转基因小鼠模型，以阐明 Natterin 在脂质代谢中的作用，从而诱导白色脂肪组织褐变。这些发现阐明了脊椎动物的细胞进化，并推进了我们对七鳃鳗脂肪组织可塑性和代谢调节的理解。

主要技术
scRNA-seq、snRNA-seq

研究结果
1. 通过综合细胞图谱揭示的组织与细胞特征
我们从 30 条七鳃鳗幼体中全面采集了 14 种组织，并使用 scRNA-seq 和snRNA-seq 技术进行了单细胞测序和单核测序（图 1a）。总共获得了 604460 个细胞/核。从血液中的 130654 个到大脑中的 5813 个，细胞数量在不同组织中有所不同（图 1b、c）。此外，UMAP揭示了每个组织的不同簇，来自同一系统的组织表现出更紧密的聚类模式（图 1b、d）。我们使用已报道的标记物和高度表达的基因将这些细胞簇分配到所有组织的全局 UMAP 视图中的 70 种细胞类型（图 1d）。因此，我们成功地构建了七鳃鳗的综合细胞图谱，这使我们能够进一步分析所有七鳃鳗组织的细胞特征。

构建的细胞图谱被用来阐明七鳃鳗组织的细胞特征。肾小球细胞、近端小管、集合管、间质细胞、远端小管、亨氏环和髓袢细胞等组织特异性细胞仅分布在肾脏中（图 1d）。同样，我们在肝脏中观察到组织特异性细胞，包括胆管细胞和肝细胞，以及肝星状细胞、库普弗细胞、造血干细胞和导管细胞（图 1d）。肝星状细胞在维生素 A 储存、细胞外基质产生、纤维化、肝脏再生调节和免疫调节中起着关键作用。同样，库普弗细胞是专门的巨噬细胞，促进肝脏免疫反应、清除病原体和毒素、维持肝脏组织完整性以及调节肝脏炎症和免疫稳态。我们的细胞图谱揭示的细胞组成，提供了对七鳃鳗细胞的详细且前所未有的图解。

然后，我们比较了不同组织中的细胞类型。在鉴定的 70 种细胞类型中，包括内皮细胞和各种免疫细胞在内的 22 种细胞类型在不同的组织中被发现（图 1d）。像心肌细胞和胆管细胞这样的 48 种细胞类型是组织特异性的。我们使用内皮细胞作为例子来探索这些细胞类型的特征。内皮细胞存在于各种组织中，包括心脏、肾脏、肝脏、尾鳍、上位体、脊索、鳃、背鳍、肌肉、皮肤和大脑（图 1d）。尽管它们不具有特异性，但内皮细胞在不同组织中有所不同。使用基于GSVA的 439 个血管相关基因的精选集对高度表达的基因进行功能富集分析也反映了组织特异性血管内皮细胞的不同功能。脑内皮细胞中的环核苷酸代谢过程被证明可以调节血管张力、血脑屏障完整性、脑血流量和通透性。相比之下，肝脏内皮细胞中的补体和凝血级联通路调节补体系统、凝血级联、止血和炎症。

图1

2. 通过跨物种比较追踪细胞类型进化方向
细胞类型的鉴定使我们能够检查以前未探索的组织和器官。我们根据七鳃鳗物种的可用细胞图谱将七鳃鳗细胞类型与小鼠和人类细胞类型进行对齐。这三个物种之间的细胞表现出高度相似性，表明存在共同的细胞血统。例如，七鳃鳗上皮细胞表现出与哺乳动物肺泡 II 型细胞非常相似，而七鳃鳗桡侧神经胶质细胞表现出与哺乳动物少突胶质细胞的高度相似性。此外，七鳃鳗变异淋巴细胞受体 B （VLRB） 细胞与哺乳动物 B 细胞显著相似。我们鉴定了 92 个七鳃鳗胰岛样细胞（表达标记基因 Ins、Cpe 和 Epas1）19 和 689 个腺泡样细胞（表达标记基因 Ctrb1 和 Cel），它们与来自小鼠和人类的胰腺特异性细胞对齐，尽管七鳃鳗缺乏明显的胰腺。这些细胞定位于肠道（图 2a），表明七鳃鳗的肠道可能实现的胰腺功能。我们收集了先前报道参与脊椎动物胰腺发育和代谢的基因集，并描述了它们在七鳃鳗胰岛样细胞和腺泡样细胞中的表达特征，与小鼠和人胰腺细胞相比。标志性胰腺β细胞特异性基因在七鳃鳗胰岛样细胞中特异性表达，而naba基体增生胰岛和黑板胰腺白细胞衰老特异性基因在腺泡样细胞中特异性表达。我们对七鳃鳗肠的横截面进行了HE染色和FISH，以验证这些物种中胰腺样细胞的位置。同样，通过FISH验证了肠道中Ctrb1、Cel和Pnliprp2的表达。同样，免疫组化结果显示肠道内胰岛素的强烈阳性信号，与FISH结果一致（图 2b）。这些发现进一步表明了七鳃鳗肠道可能的完整胰腺功能，为七鳃鳗器官组织和功能以及脊椎动物器官进化提供了见解。

我们使用细胞图谱对免疫细胞进行了广泛的分析，以阐明七鳃鳗的免疫特征和脊椎动物免疫系统的进化。我们图谱中包含的 280636 个免疫细胞被聚集成不同的细胞类型，包括 68924 个粒细胞、58622 个 VLRA/C 细胞（Vlra 和 Vlrc 在同一簇中表达）、44116 个 VLRB 细胞、30894 个单核细胞、5469 个中性粒细胞、4875 个树突状细胞、2197 个 pDC 细胞、1213 个髓系细胞和 1074 个 Kupffer 细胞（图 2c）。这些细胞类型表现出基于细胞类型和组织起源的聚类模式（图 2c，d）。然后，我们将七鳃鳗免疫细胞类型与小鼠免疫细胞类型进行比对，可变淋巴细胞受体 （VLR） 细胞是七鳃鳗所独有的。相比之下，七鳃鳗 VLR 细胞和小鼠 T/B 细胞共享同源基因，包括 Syk、Map3k1 和 Pik3cd。此外，它们的平均表达水平表现出VLR或T/B细胞特有的相似模式，与其他免疫细胞类型相似。这些发现强调了七鳃鳗 VLRB 细胞和脊椎动物 B 细胞之间的相似性，以及七鳃鳗 VLRA/C 细胞与 T 细胞的同源性。此外，VLRB细胞共表达巨噬细胞相关基因，如Csf1r。免疫荧光测定进一步证实了这一观察结果，表明 VLRB 细胞可能与脊椎动物巨噬细胞具有相似的功能或具有共同的生理特征。这些结果为七鳃鳗的免疫细胞多样性提供了宝贵的见解，并证明了 VLRB 细胞的潜在功能作用和进化。

粒细胞是七鳃鳗中最丰富的免疫细胞群（图 2c），包括四种不同的亚型：Thbs1+、Retn+、Haaf+ 和 Aldh1a1+（图 2e）. 主要与炎症、组织重塑、伤口愈合和病原体反应相关的途径相关的基因在这些细胞中高度表达。特别是，Retn+粒细胞表现出类似于下颌脊椎动物巨噬细胞的特征，在中性粒细胞脱颗粒、基质金属蛋白酶和白细胞脱颗粒中表现出功能富集。这些观察结果有力地支持将这些细胞鉴定为粒细胞。此外，这些发现表明七鳃鳗粒细胞具有血细胞样细胞和巨噬细胞样细胞的组合特征，使它们能够激活免疫反应。
 

图2

3. Natterin介导小鼠铁依赖性 WAT 褐变
Natterin是粒细胞亚群中差异表达最显著的基因（图 2f，g）。通过免疫荧光和免疫组织化学进一步表征了Natterin在各种组织中的表达谱，这些结果支持Natterin对脂滴的定位（图 2h）。Natterin是一种古老的先天免疫相关基因，分布广泛，并在植物、真菌、无脊椎动物和脊椎动物等各种物种中经历了独特的进化。Natterin 存在于多种七鳃鳗、射线鳍鱼、爬行动物和鸟类中，但在盲鳗、软骨鱼、肺鱼、两栖动物（Rana temporaria、Pelobates cultripes、Pelobates fuscus 和 Pleurodeles waltl 除外）和哺乳动物（针鼹除外）中不存在，我们预测了六个代表性物种的Natterin结构，在凝集素结构域和哺乳动物特异性螺旋的结构上显示出显着差异（图 3a）。这些发现表明，随着物种的进化，Natterin 存在不同的进化进程和功能变异。
 

图3

根据我们的scRNA-seq数据，我们观察到粒细胞中也表达Plin2基因的Natterin（图 3b）。虽然 Natterin 被广泛认为是一种参与宿主防御的免疫分子，但其参与脂质代谢的探索较少。因此，我们从七鳃鳗组织中提取并分析了脂滴（图 2h）。在七鳃鳗细胞中观察到类似白色脂肪细胞的大脂滴和类似棕色脂肪细胞的较小多房脂滴。棕色脂肪细胞表现出中央细胞核和高线粒体密度，表明代谢状态活跃。为了研究 Natterin 在脂质调节中的潜在作用，我们开发了一种转基因小鼠模型（Cre;Natterin）与饮食诱导的高脂肥胖，以进一步阐明 Natterin 在脂肪组织中的作用。该模型使用 Cre-loxp 系统实现了 Natterin 的脂肪组织特异性表达（图 3c、d）。在第 18 周，我们给予他莫昔芬以诱导 Cre 中 Natterin 的表达;Natterin 小鼠，随后在第 19 周评估 Natterin 和 Ucp1 的表达（图3d）。我们观察到 Cre 和 Cre 之间的体重存在显着差异。电镜显示Cre;Natterin小鼠表现出分裂成几个具有高线粒体含量的小多室脂滴（图 3h）。这些形态变化是WAT褐变的特征。此外，我们检测到UCP1和几个与WAT褐变相关的标记基因的高表达，如PGC1α和BMP7（图 3i），表明 Natterin 可以诱导WAT的褐变。此外，红外成像和涉及冷暴露和热中性的实验表明，在 Natterin 过表达后，脂肪组织（WAT和BAT）的产热能力显着增加（图 3j、k）。这些结果表明， Natterin 在体内诱导脂肪组织产热。

我们在小鼠身上进行了实验，使用三种注射方法测试不同剂量的 Natterin 的效果。Natterin 表现出与市售减肥药奥利司他（对照：46.24 ± 0.68 g，NATTERIN：22.63 ± 1.63 g，奥利司他：21.65 ± 1.65 g）表现出相当的效果，皮下注射是最有效的方法。 Natterin 诱导的体重减轻伴随着WAT褐变，如WB、HE染色和UCP1、PLIN2和COX IV（线粒体的标记基因）的免疫组织化学分析所证明的那样（图 3m，n）。此外，我们发现皮下注射低剂量（125 μg/kg）的 Natterin 不会引起任何器官损伤，引发铁死亡和炎症反应（图 3m）。这表明，使用低剂量 Natterin 的肥胖小鼠体重减轻不是由于它们的免疫功能。

4. Natterin 影响 WAT褐变的潜在细胞机制
为了阐明 Natterin 对WAT影响的潜在细胞机制，我们研究了用这种蛋白质处理后WAT细胞中Fe2+水平的显着增加（图 4a）。我们提出 Natterin 介导 WAT 细胞中的细胞内铁过载。我们使用 Biacore 技术发现了这种蛋白质与转铁蛋白受体 （TFR1） 的强大结合能力（图 4b）。免疫荧光分析显示，皮下注射 125 μg/kg 重组 Natterin 进行体内和体外研究的小鼠的 WAT 中 Natterin 和 TFR1 的共定位（图 4c）。结果表明， Natterin 在白色脂肪细胞膜表面大量积累，其中 Natterin（绿色荧光）高度集中在 TFR1 阳性（红色荧光）区域。ATGL介导的脂肪分解导致脂滴分解，游离脂肪酸的产生可以激活UCP1功能。我们进一步分析了ATGL（脂肪分解标志物）、DRP1（线粒体裂变标志物）和CPT1A（线粒体脂肪酸代谢中的限速酶）响应 Natterin 对TFR1的调节的表达（图 4d）。这表明 Natterin 在 TFR1 介导铁依赖性细胞内褐变分子机制中发挥作用。
 

图4

我们开发了一种用柠檬酸铁铵（FAC）、去铁胺（DFO）和二氢青蒿素（DHA）处理的小鼠模型，以评估铁代谢对WAT细胞的影响（图 4e，f）。FAC 和 DFO 是分别促进和抑制细胞内铁含量的铁调节剂，而 DHA 抑制 TFR1。FAC促进 Natterin 介导的白色脂肪褐变，DHA抑制 Natterin 介导的褐变，同时抑制TFR1，这两个过程都是剂量依赖性的。我们的结果显示，在TFR1的正向和负向调控下，这些标记物的表达发生了一致的变化（图 4g），表明细胞铁水平的增加促进了ATGL介导的脂肪分解，导致通过白色脂肪细胞的分解形成许多小脂滴。ATGL介导的脂肪分解产生游离脂肪酸，并能激活脂肪细胞线粒体的解偶联功能。此外，线粒体裂变因子DRP1表达的上调促进了线粒体增殖，最终促进了白色脂肪细胞的褐变。这种褐变过程表明， Natterin 促进了线粒体内膜中 UCP1 的表达，并且 UCP1 介导了未偶联的氧化磷酸化，以线粒体产生的 ATP 的化学能作为热量释放出来。 Natterin 介导线粒体裂变和解偶联，促进脂肪细胞代谢。这些发现表明， Natterin 通过与 TFR1 相互作用并诱导显着的代谢重编程来介导 WAT 细胞中的铁积累。这种重编程包括增强脂肪分解和线粒体生物发生，有助于白色脂肪细胞的褐变并可能改善代谢特征。

结语
在这项研究中，我们使用scRNA-seq和snRNA-seq技术构建了七鳃鳗器官的综合细胞图谱。我们进一步比较了七鳃鳗和有颌脊椎动物之间的细胞组成和相似性。七鳃鳗和有颌脊椎动物之间共享几种同源细胞类型，尽管解剖学存在差异，但功能相似。特别是，我们在七鳃鳗的肠道中鉴定了腺泡样和胰岛样细胞类型，表明即使在这些生物体没有胰腺的情况下，也会出现葡萄糖调节功能。胰腺细胞聚集成簇，分散在肠壁和管子与食道的交界处。我们的研究结果阐明了七鳃鳗的进化适应，并为与有颌脊椎动物相比，其细胞组成的功能异同提供了宝贵的见解。尽管已经确定了七鳃鳗和有颌脊椎动物之间的同源细胞类型，但驱动这些相似性的分子机制及其进化意义仍有待充分探索。

除了建立七鳃鳗的细胞景观外，我们还评估了免疫细胞。我们分类了4种粒细胞亚型，它们不仅富集于免疫相关途径，而且还具有脂肪细胞分化调节和冷诱导产热的作用，提示七鳃鳗粒细胞可能参与脂质代谢。 Natterin  在 WAT 褐变中的作用的发现进一步证明了七鳃鳗免疫蛋白的多功能性，并揭示了这些生物体调节其代谢过程的潜在机制。IL-27 通过直接靶向脂肪细胞、促进产热、增强代谢功能以及提供预防肥胖的保护，在 WAT 褐变中起着至关重要的作用。这表明 Natterin 可能在七鳃鳗中发挥类似的功能。IL-27通过免疫信号传导对代谢活性的调控机制为探索 Natterin 的代谢作用提供了相关框架。这表明免疫蛋白不仅介导免疫反应，还可能通过与脂肪细胞的相互作用来调节代谢过程。这些见解强调了七鳃鳗免疫系统与新陈代谢之间的相互作用，并支持 Natterin 作为代谢调节剂的潜在作用。

WAT 的褐变是指主要储存脂肪的白色脂肪细胞转化为代谢活跃并产生热量的米色或棕色脂肪细胞。Natterin 通过靶向人体内一种关键的铁转运蛋白 TFR1 触发铁依赖性 WAT 褐变过程。TFR1 调节棕色和米色脂肪细胞中的铁稳态、产热和命运决定。这表明 Natterin 通过与 TFR1 结合来调节七鳃鳗的铁代谢过程。WAT 褐变的激活会增加能量消耗，因为米色或棕色脂肪细胞的代谢更活跃，可以燃烧储存的脂肪以产生热量。能量消耗的增加可能有助于维持体重。这些发现凸显了免疫蛋白的多功能性及其在调节代谢过程中的潜在参与，从而为制定解决代谢相关问题的策略提供了理论基础。

最近的研究越来越强调免疫系统在调节代谢过程，特别是脂质代谢和能量稳态方面的关键作用。除了病原体防御之外，免疫细胞还通过分泌细胞因子和趋化因子影响代谢途径。例如，IL-6、IL-12和IL-27等白细胞介素不仅是免疫反应的关键调节因子，还有助于脂肪组织重塑和能量消耗，特别是通过将 WAT 褐变为代谢活性的棕色或米色脂肪细胞。我们的研究表明 Natterin 在驱动 WAT 褐变方面具有潜在作用，并提出免疫蛋白可能通过与铁代谢的关键调节因子 TFR1 的相互作用来影响脂质代谢。这种免疫代谢串扰可能代表了一种重要的进化适应，其中免疫信号通路有助于调节能量消耗，以支持环境适应，例如寒冷气候下的体温调节。需要进一步的研究来阐明这些免疫代谢相互作用背后的分子机制，并追踪它们在物种之间的进化意义。这些见解可以增强我们对免疫系统在调节新陈代谢、适应性生理反应及其对全身能量平衡的更广泛影响方面的多功能作用的理解。

总体而言，我们的研究结果提供了七鳃鳗器官的综合细胞图谱，为该物种的细胞组成和进化提供了见解。这项工作强调了七鳃鳗作为模式生物研究脊椎动物进化、免疫系统功能以及治疗发现潜力的重要性。

参考文献：
Pang Y, Qin Y, Du Z, Liu Q, Zhang J, Han K, Lu J, Yuan Z, Li J, Pan S, Dong X, Xu M, Wang D, Li S, Li Z, Chen Y, Zhao Z, Zhang Z, Chuan S, Song Y, Sun M, Jia X, Xia Z, Zhan L, Yue Z, Cui W, Wang J, Gu Y, Ni M, Yang H, Xu X, Liu X, Li Q, Fan G. Single-cell transcriptome atlas of lamprey exploring Natterin- induced white adipose tissue browning. Nat Commun. 2025 Jan 17;16(1):752. doi: 10.1038/s41467-025-56153-w. PMID: 39820434; PMCID: PMC11739602.