代谢被认为是发育过程中细胞分化的驱动因素。对人类肾脏发育过程中潜在代谢异质性和复杂性的研究，对于识别能够改善内源性或外源性肾脏再生的化合物和策略至关重要。去年11月，荷兰莱顿大学医学中心的 Ton J. Rabelink 教授使用单细胞RNA测序、单细胞水平的空间代谢组学与免疫荧光结合的方式，识别了人类肾脏分化中的代谢细胞命运轨迹，相关研究成果以“Spatial dynamic metabolomics identifies metabolic cell fate trajectories in human kidney differentiation“为题发表在Cell Stem Cell期刊上。
研究结果
1．单细胞转录组揭示人胚胎期肾脏发育过程中的代谢异质性与细胞转变
为了探讨人胚胎期肾脏发育过程中的代谢异质性，利用单细胞转录组学鉴定妊娠13周、16周和18周的人胚胎期肾脏样本，涵盖肾形成过程的各个发育阶段，共鉴定出22种细胞类。
基于Reactome数据库，作者对单细胞RNA测序数据集进行代谢基因集富集分析发现所有22种不同的肾细胞类型都具有独特的代谢基因模式。代谢基因数据集的拟时序分析表明，肾始祖细胞（NPCs）向每个成熟肾单位成分的分化具有特定的代谢轨迹，也可以识别分化过程中的中间细胞类型，这表明代谢变化确实与肾脏发育过程中的细胞转变有关。此外，远端、近端和足细胞上皮的发育伴随着明显的代谢途径变化，包括中枢能量代谢和脂质重塑。
2．空间代谢组学揭示人胚胎期肾脏细胞的代谢异质性
作者应用单细胞水平的空间代谢组技术检测妊娠16周人胎肾组织的代谢和脂质分布（高空间分辨率MALDI-MSI，5*5 μm2像素大小，肾细胞平均直径约为10 mm）。随后使用多重免疫荧光对MALDI-MSI分析的组织进行染色和成像，根据JAG1、WT1和ECAD（由基因CDH1编码）的表达和肾脏结构的形态来识别不同的肾细胞类型。免疫荧光结果与MALDI-MSI数据进行匹配与重叠，得到了19种细胞类型的特征分子。这些细胞的特征分子基本都属于脂质类分子（磷酸甘油酯、磷脂酰乙-醇胺等），而这些分子的组织分布基本也反映了细胞类型的空间分布。
3．空间脂质组揭示人胚胎肾细胞发育轨迹
为了进一步探讨肾脏发育过程中的脂质重塑，我们对空间脂质组数据进行拟时序分析。在三维的拟时序图像中，能够清晰地发现从肾始祖细胞出发的三条发育轨迹，并能够在组织切片的层面上得到证明。并基于该数据集，发现可能与三条分化轨迹相关的脂质分子。
4．近端管状上皮细胞分化过程中的代谢转换
为了研究胎儿肾脏发育过程中的动态代谢变化和营养分配，作者将空间代谢组学技术与同位素示踪技术结合，构建了一个单细胞水平的空间代谢动力学平台。当NPCs向成熟近端上皮分化时，观察到糖酵解向线粒体脂肪酸β氧化（FAO）途径的转变。
5．单细胞测序+空间脂质组揭示肾脏类器官近端上皮细胞的代谢特征
作者采用单细胞RNA测序技术对人诱导多能干细胞（hiPSC）衍生的肾脏类器官进行测序，共鉴定了23种细胞类型，包括主要的肾细胞类型PTs、DTs和足细胞，并观察到早期PT和成熟PT细胞群的存在。这些数据表明，在hiPSC衍生的肾脏类器官和人类胎儿肾脏中观察到类似的PT群体。
然后，作者对两个hiPSC系（LUMC0072和iPSC MAFB）分化的hiPSC衍生的肾脏类器官进行空间脂质组检测，在脂质分子的层面上证明了两种类器官确实具有分化为PT细胞的能力，并表现出与之类似的代谢特征，但类器官（尤其是管状结构）的总体脂质指纹与从人胎肾组织获得的指纹有很大不同，缺乏在人胎肾中高度丰富的其他PT特异性脂质特征的表达，最可能反映了肾脏类器官管状上皮的未成熟状态。
6．丁-酸盐选择性改善hiPSC衍生肾脏类器官近端小管的分化
在人胎肾PT的发育过程中，观察到游离脂肪酸（FFA）介导的线粒体氧化增加。因此，我们探讨了FAO在人诱导多能干细胞（hiPSC）衍生肾类器官中对PT分化的影响。与人类胎儿和成人肾脏中的PT相比，肾脏类器官PT缺乏长链脂肪酸（LCFA）运输的关键基因CPT1的表达，而表达SCFA的转运蛋白MCT1，这表明在类器官的发育中，短链脂肪酸可能对PT的分化具有重要作用。最后作者使用丁-酸和乙酸分别干预类器官，发现丁-酸确实可以促进PT细胞的分化，并上调了其标记基因的表达。
越来越多的证据表明代谢在细胞命运决定中起着重要作用。本文使用多组学技术描述了发育中的人类肾脏在肾形成过程中的代谢轨迹。在从肾小泡向S形体和近端小管分化的过程中，观察到糖酵解向脂肪酸β氧化的转变。此外，研究表明hiPSC衍生的肾脏类器官的特征是不成熟的代谢表型，无法使用线粒体长链脂肪酸进行能量代谢。此外，丁-酸盐的补充增强了培养的肾类器官中管状上皮的分化和成熟。该研究通过多组学分析深入了解了人类肾脏发育过程中代谢过程的空间和时间活动，有助于指导干细胞的分化调控。
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