肾脏发育的新视角：细胞对话塑造器官结构
肾脏发育的新视角：细胞对话塑造器官结构
先天性肾发育异常在新生儿中的发病率高达1.6%，但目前尚缺乏对肾脏结构建立过程的完整描述及其分子基础的全面理解。本研究旨在构建肾脏发育至成熟的高分辨率时空转录组，探讨细胞通讯的动态变化及其在器官发生到稳态转变中的作用。
在器官发生过程中，祖细胞与分化细胞相互协作，经历剧烈的迁移和分化从而形成复杂的结构。与此不同，成熟器官则呈现出相对稳定的细胞分布模式。然而，细胞通讯如何驱动器官从发生到结构稳态的转变机制仍不明晰。
肾脏由肾单位和集合管系统组成，在血压调节及尿液代谢中发挥作用。解剖学上肾脏分为皮质和髓质，其结构异常与先天性畸形和慢性肾病密切相关。因此，肾脏的正常结构对其生理功能至关重要。然而，我们对肾脏细胞在建立和维持肾脏结构过程中的相互作用机制了解有还十分有限。本研究旨在利用高分辨率空间转录组测序技术，探究细胞通讯在小鼠肾脏发生到稳态转变中的调控作用。
图1 图文摘要
肾脏是哺乳动物的重要器官，负责过滤血液中的废物和多余水分，维持身体的水盐平衡和内环境稳态。细胞通讯调控肾单位祖细胞和输尿管芽尖端祖细胞的增殖分化，以形成精细的肾单位和收集管系统。然而，细胞通讯在肾脏结构形成中的调控机制仍不明确。与此同时，目前缺乏全面的小鼠肾脏发育时空转录组图谱。
为此，作者采用了高分辨率空间RNA测序（high-definition spatial RNA sequencing，hdST-seq），对小鼠的肾脏从胚胎期至成体期的七个关键时间点进行了大规模检测，生成胚胎期和成体小鼠肾脏的高质量空间转录组数据。注释结果分为四个谱系：肾单位、收集系统和输尿管、成纤维细胞、血管和免疫系统细胞（图2）。研究表明细胞类型在不同时间点表现出显著的动态变化和渐进的空间分布模式，尤其是在胚胎晚期，肾脏髓质形成及肾脏分层模式逐渐成型（图2）。
图2 小鼠肾脏发育的细胞类型动态变化
作者在分析中发现，成纤维细胞可分为多种细胞亚型，并具有明显的分层分布特征。基于成纤维细胞的分布模式，作者进一步将肾脏划分为五层结构（图3）。这种分层模式可能为肾脏发育提供独特的细胞微环境，进而为细胞的正确分化和迁移提供精确的调控信号。
图3 E18.5时期小鼠肾脏的五层结构和髓质成纤维细胞的RNA FISH染色验证
为了探索肾脏结构从建立到稳态的转变，作者采用了一种独立开发的计算模型来分析细胞间通讯的动态过程，发现动态的细胞通讯在肾脏从器官形成到体内平衡的转变中起着关键作用。
在早期胚胎阶段，研究鉴定出 35 对配体-受体对，其中大多数相互作用发生在祖细胞之间（图4）。这些相互作用（如Gdnf-Ret和Slit2-Robo2）对祖细胞的分化至关重要。在晚期胚胎阶段（E15.5-E18.5），配体-受体对的数量增加到64对（图4）。值得注意的是，其中40对与细胞迁移相关，反映了肾脏结构的初步建立。例如，Fn1-Sdc2、Fn1-Itga8和Efna5-Epha4可能与髓质成纤维细胞的迁移相关，而Sema5a-Met、Lama2-Itgb1和Wnt5a-Fzd4则可能促进亨氏管的迁移与伸长。在成年小鼠中，当肾脏达到结构稳态时，仅检测到十对配体-受体对（图4）。大多数在晚期胚胎阶段与迁移相关的相互作用在成年小鼠中已不再存在。
图4 小鼠肾脏发育的细胞通讯动态变化
通过模型计算筛选，作者发现Eph/ephrin配受体家族在胚胎期肾脏中具有明显的层特异性表达模式。通过空间转录组数据，研究人员发现Efna5在最外层细胞中高表达，而Epha4则在第四层中间髓质成纤维细胞中具有特异性表达。这一对配受体呈现相反的层次表达梯度，并且在发育过程中逐渐分离，与它们在神经系统中发挥的排斥作用类似。为了验证Efna5-Epha4在肾脏发育和髓质细胞迁移中的作用，作者敲除了外层表达的配体基因，发现中间髓质成纤维细胞的迁移受到影响，且肾脏髓质发育不全（图5）。进一步分析发现，细胞外基质（ECM）和肌动蛋白细胞骨架相关基因的表达下调，核心转录因子如Bach1、Fra-1和Fosl2的功能缺失，暗示这些因子在髓质成纤维细胞迁移中发挥重要作用。
图5 Efna5介导的细胞间通讯调控细胞迁移和髓质形成
此外，作者鉴定了一种新的亨氏管亚型，并根据其定位和发育方向将其命名为中间亨氏管细胞（middle limb of LoH，mLoH）。mLoH在功能上与其他亨氏管亚型有所区分，且在亨氏管U型结构形成过程中发挥着至关重要的作用（图6）。mLoH细胞高表达Ryk和Fzd4（二者作为Wnt5a的受体能够介导排斥性轴突迁移）。敲除Fzd4导致肾脏出现严重的输尿管积水和亨氏管生长异常，进而阻止U型结构形成。这些发现揭示了Fzd4介导的信号传导在正确形成LoH形态中的必要性（图6）。
图6 中间亨氏管细胞通过Wnt5a-Fzd4/Ryk参与U型结构的建立
本研究构建了首个高分辨率小鼠肾脏发育时空转录组图谱，揭示了胚胎期的40个与迁移相关的细胞通讯事件。在皮质和髓质的基础上，作者展示了肾脏发育过程中形成的五层结构。迁移相关的细胞通讯驱动了这一结构的形成，其中ephrin-A5（Efna5）在髓质分层中发挥关键作用。Frizzled 4（Fzd4）对亨氏管（LoH）U型结构的形成至关重要。在成体阶段，结构稳态下仅观察到三个迁移相关的配体-受体对，且肾脏维持稳定的四层结构。本研究揭示了细胞通讯在器官发生和稳态维持中的作用，为器官再生的发展提供了新思路。
展望
本研究揭示了小鼠肾脏细胞通讯的动态变化及其在器官发生到稳态转变中的作用，发现与迁移相关的细胞通讯在肾脏发育中至关重要，而这些事件在成年期缺失。这表明重新激活此类通讯可能是肾脏再生的关键。
肾积水是一种严重的肾脏疾病，可能导致肾衰竭。传统观点认为其主要由输尿管或尿路阻塞引起，但具体机制尚不明确。本研究发现Efna5介导的细胞通讯中断会损害中髓成纤维细胞的迁移，进而导致肾脏发育异常并引发肾积水。这一发现为先天性肾积水的发病机制提供了新见解，也为研究人类肾积水病因提供了重要线索。
本文原文来自The Innovation