基于Visium空间转录组学的人鼠肾上腺保守性标志基因鉴定及其进化意义

《Histochemistry and Cell Biology》：Identification of conserved canonical marker genes in human and mouse adrenal glands using Visium spatial transcriptomics

本研究利用10x Genomics Visium空间转录组学技术，首次在人和小鼠肾上腺中系统鉴定了跨物种保守的标志基因。通过整合分析人类（31岁女性）和小鼠（10周龄雄性CD-1）肾上腺样本，研究人员精准绘制了皮质区带（ZG/ZF/ZR）和髓质的基因表达图谱，揭示了CYP11B2、WNT4等关键基因的空间保守性，并发现人类网状带与小鼠棕色脂肪组织存在显著转录相似性（18基因特征，ρ=0.8）。该研究为肾上腺区域特异性功能研究提供了分子基础，有力支持小鼠模型在肾上腺研究中的转化价值。

　　

当我们面对压力时，身体会启动一套精妙的应急机制，而位于肾脏上方的肾上腺则是这场应激反应的总指挥。这个小小的器官通过分泌皮质醇、醛固酮等激素，调控着人体的代谢平衡和应激反应。然而，这个看似简单的器官内部却隐藏着极其复杂的区域划分：外层皮质分为球状带、束状带和网状带，分别负责不同激素的合成；中央髓质则分泌肾上腺素。更令人惊奇的是，尽管人类和小鼠的肾上腺在功能上高度保守，但在微观结构上却存在显著差异——例如人类拥有明确的网状带，而小鼠则以其特有的X带取而代之。

这种解剖学差异给科学研究带来了巨大挑战：我们能否在小鼠模型中可靠地研究人类肾上腺疾病？哪些分子标志物能够真实反映两个物种间肾上腺功能的保守性？为了解决这些问题，来自波兰波兹南医科大学的研究团队运用前沿的空间转录组学技术，对人和小鼠的肾上腺进行了精细的分子图谱绘制。

研究人员采用10x Genomics Visium平台，分别处理了来自GEO数据库的人类肾上腺样本（OCT包埋）和实验室采集的小鼠肾上腺样本（FFPE处理）。通过Seurat软件包进行数据整合和标准化，利用PCA降维和UMAP可视化，最终通过无监督聚类识别出5个关键功能区域。保守标志基因的鉴定采用FindConservedMarkers函数，设定log2FC>1且表达率>10%的双重标准。功能富集分析通过DAVID数据库完成，同时开发了交互式网络平台供研究者探索基因表达数据。

区域特异性基因表达图谱成功构建

通过整合分析，研究团队在人和小鼠肾上腺中清晰识别出5个关键功能区域：球状带（ZG）、束状带（ZF）、人类网状带/小鼠棕色脂肪组织（ZR(h)/BAT(m)）、髓质以及结缔组织/白色脂肪组织区（CT/WAT）。其中髓质区域在UMAP图上与其他区域距离最远，显示其独特的转录特征。空间定位分析表明，人类肾上腺中CYP11B2表达呈簇状分布（72.3%ZG细胞），而小鼠则呈现连续带状（97.1%ZG细胞），揭示了物种特异性调控差异。

球状带保守标志基因鉴定

研究人员鉴定出62个ZG特异性保守基因，其中CYP11B2（醛固酮合酶）作为最典型的标志物，其表达模式却显示出有趣的物种差异。WNT4和DAB2在两个物种中均呈现连续表达模式（人类93.1%/98.9%，小鼠89.4%/96.8%），而CALN1则与CYP11B2类似呈现簇状表达。功能富集分析显示这些基因显著富集于Wnt信号通路（p=7.47×10^-5）和醛固酮合成与分泌通路（p=7.08×10^-4），证实了它们在ZG身份维持和类固醇合成中的核心作用。

束状带保守性分析揭示物种差异

令人意外的是，ZF区域仅鉴定出7个保守标志基因，包括CYP11B1（11β-羟化酶）、PRSS35等。CYP11B1在人类ZF中特异性表达（100%斑点），而在小鼠中则遍布整个皮质区域。这种差异可能反映了两个物种在糖皮质激素合成途径上的进化分歧——人类主要产生皮质醇，而小鼠则以皮质酮为主要糖皮质激素。

网状带与棕色脂肪组织的转录相似性

最具突破性的发现是人类ZR与小鼠BAT之间存在显著的转录相似性。研究人员鉴定出18个保守标志基因，包括APOC1（在两个物种中表达率均>95%）、PLIN2、FABP3等脂代谢相关基因。模块评分显示ZR(h)-BAT(m)特征在对应区域显著富集（中位数0.67），ROC曲线下面积达0.98，表明极强的区分能力。Spearman相关性分析显示人类ZR与小鼠BAT的log2FC值相关性高达ρ=0.8，显著高于其他区域（Δρ=0.4）， permutation检验证实这种相关性并非偶然（p=6×10^-4）。

髓质功能的高度保守性

肾上腺髓质表现出最强的转录保守性，共鉴定出697个保守标志基因。排名首位的SCG5在两个物种的髓质区域均达到100%表达率，平均log2FC在4.88-5.38之间。其他关键基因包括儿茶酚胺合成酶DDC（多巴脱羧酶）、胆碱能受体CHRNA3等，富集分析显示这些基因显著参与多巴胺能突触（p=1.51×10^-14）和突触小泡循环等神经内分泌功能。

这项研究通过空间转录组学技术揭示了肾上腺分子结构的进化保守性，不仅验证了已知区域标志物（如CYP11B2、CYP11B1），还发现了新的保守特征，特别是人类网状带与小鼠棕色脂肪组织之间意想不到的转录相似性。这些发现为理解肾上腺区域身份决定的分子机制提供了新视角，同时强调了在跨物种比较研究中考虑解剖学差异的重要性。研究人员建立的交互式图谱平台（https://adrenal-spatall-transcriptomic.shinyapps.io/canonicalmarkers/）为肾上腺研究者提供了宝贵资源，将显著促进对肾上腺生理和疾病机制的深入探索。该研究的局限性包括样本量较小且未考虑性别和年龄因素，未来研究需要更大样本队列来验证这些保守标志基因的稳定性。