該研究測序策略：構(gòu)建了涵蓋駱駝（21個組織）與牛（33個組織）的單細(xì)胞/單核轉(zhuǎn)錄組圖譜，并整合已發(fā)表的牛、羊、豬、小鼠及人多組織單細(xì)胞數(shù)據(jù)，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(xì)胞，可能為其高效血壓調(diào)節(jié)提供細(xì)胞基礎(chǔ)。這項(xiàng)研究不僅為畜禽適應(yīng)性進(jìn)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(zhuǎn)錄組BMKMANU?S1000服務(wù)。

研究背景

對多腔胃哺乳動物進(jìn)行細(xì)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(jìn)化機(jī)制。駱駝進(jìn)化出了一套獨(dú)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(xì)胞組成及分子特征差異，這引出了一個關(guān)鍵的科學(xué)問題：多腔胃動物適應(yīng)性進(jìn)化的細(xì)胞基礎(chǔ)是什么？

研究結(jié)果

? 駱駝與牛的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜構(gòu)建

該研究對駱駝的21種組織（160,682個細(xì)胞）和牛的33種組織（264,472個細(xì)胞）進(jìn)行了單細(xì)胞RNA測序（scRNA-seq）或單核RNA測序（snRNA-seq），共注釋出124種細(xì)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(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，肝細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、免疫細(xì)胞和上皮細(xì)胞在物種間表現(xiàn)出較高的相似性，而生殖細(xì)胞的相似性較低，這可能與其作為進(jìn)化速率最快的細(xì)胞類型有關(guān)。本結(jié)果系統(tǒng)揭示了駱駝多種組織的細(xì)胞類型組成，并刻畫了兩種物種間對應(yīng)細(xì)胞類型的保守性與異質(zhì)性。

圖1. 細(xì)胞圖譜構(gòu)建

? 多腔胃結(jié)構(gòu)細(xì)胞的異質(zhì)性分析

多腔胃是駱駝和牛高度特化消化道的標(biāo)志性特征。為探究駱駝與牛胃腔中細(xì)胞類型組成及其基因表達(dá)模式的保守性與差異性，作者針對胃腔單細(xì)胞數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析，通過比較胃部結(jié)構(gòu)性細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)上皮細(xì)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(dú)特的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)模塊，其中包含SOX8、UNCX等調(diào)控因子，促進(jìn)細(xì)胞增殖與遷移。駱駝GS與真胃具有共同起源，但已獲得獨(dú)特的特化特征。保守的細(xì)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(dá)促增殖和遷移基因?yàn)樘卣鞯莫?dú)特上皮亞型，代表了關(guān)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(jié)構(gòu)演化而來，隨后在駱駝中經(jīng)歷特定特化過程，這一過程可能由這些新型細(xì)胞類型驅(qū)動，以支持其獨(dú)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(jié)構(gòu)，正向選擇基因的細(xì)胞偏向性表達(dá)模式表明，自然選擇在塑造駱駝和牛C1上皮細(xì)胞的特征。C1上皮的細(xì)胞類型具有保守性，且成纖維細(xì)胞是三種物種中形成C1上皮乳頭狀結(jié)構(gòu)差異的主要細(xì)胞類型。

圖2.?多室胃結(jié)構(gòu)細(xì)胞的跨物種比較分析

? 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(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行跨物種比較。

結(jié)果表明，駱駝肝細(xì)胞高表達(dá)脂酸代謝基因（如ACSL4、ACSL5、ACOX1）和PPAR信號通路相關(guān)基因，顯示出更強(qiáng)的脂質(zhì)轉(zhuǎn)化與儲存能力；而牛肝細(xì)胞則高表達(dá)藥物代謝和淀粉蔗糖代謝基因，可能更適應(yīng)飲食波動及飼料中的外源性物質(zhì)處理。

在腸道方面，牛腸上皮細(xì)胞中有機(jī)鹽轉(zhuǎn)運(yùn)基因上調(diào)，利于吸收瘤胃微生物產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸；駱駝腸細(xì)胞則高表達(dá)水通道蛋白基因，與其干旱適應(yīng)機(jī)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。

圖3. 駱駝與牛肝臟、小腸單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)比較

? 腎臟血管平滑肌細(xì)胞（VSMCs）異質(zhì)性分析

為探究與駱駝腎臟獨(dú)特功能相關(guān)的主要細(xì)胞類型及其分子特征，作者聚焦于駱駝腎臟的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，鑒定出一類特殊的血管平滑肌細(xì)胞，并將其命名為S100A4+VSMCs。該細(xì)胞高表達(dá)血管緊張素II受體基因AGTR1，而收縮相關(guān)基因（如MYH11）表達(dá)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(jìn)一步采集駱駝腎臟組織進(jìn)行空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，證實(shí)了S100A4+VSMCs在腎臟中的實(shí)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(yù)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(xì)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(dǎo)。S100A4+VSMCs可能通過調(diào)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(yīng)，在血壓調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。

圖4. 駱駝腎臟中S100A4+VSMCs的鑒定

研究總結(jié)

該研究構(gòu)建了駱駝與牛的多組織單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，并提供了駱駝腎臟的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，為解析物種特異性生物學(xué)特征及其進(jìn)化歷程提供了重要資源?；谖?、腎臟及肝臟等關(guān)鍵消化代謝器官的跨物種比較，研究不僅驗(yàn)證了駱駝胃部的起源假說，還揭示了特定細(xì)胞類型的基因表達(dá)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(xì)胞，該細(xì)胞可能在腎臟適應(yīng)干旱、高鹽環(huán)境的過程中發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用。綜上所述，該研究從分子與細(xì)胞層面闡釋了駱駝適應(yīng)性進(jìn)化的內(nèi)在機(jī)制，為理解哺乳動物器官系統(tǒng)的進(jìn)化與功能多樣化提供了新的視角。