《Cell Discovery》：Luminal hormone-responsive cells tune the regenerative remodeling of mammary glands in large mammals
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本研究针对大型哺乳动物乳腺在妊娠与泌乳重叠期发生的再生性重塑（RR）机制不清的问题，通过单细胞测序等技术，揭示了管腔激素响应细胞（LumHR）通过PRLR通路调控管腔分泌前体细胞（LumSecP）分化的关键作用，并发现IRF1-ESRRB轴负向调控LumHR细胞增殖。该研究为理解乳腺组织再生及提高产奶量提供了新靶点。
论文解读
研究背景：乳腺的“再生性重塑”之谜
对于哺乳动物而言，乳腺是一个充满活力的器官，它随着生殖周期经历着剧烈的重塑。在怀孕期间，乳腺上皮细胞会大量增殖并分化，形成能够分泌乳汁的腺泡结构；而在断奶后，乳腺会进入一个被称为“复旧”的阶段，此时腺泡结构会通过细胞凋亡等方式大量退化，回归到孕前状态。
然而，在奶牛、奶山羊等产奶动物中，为了延长泌乳期并提高产奶效率，常常会在泌乳期结束前再次受孕。这就导致了一个独特的生理过程：妊娠与乳腺复旧的重叠。与典型的复旧不同，这种重叠过程并不会导致腺泡结构的完全退化，而是保留并促进了乳腺的快速更新。科学家们将这一过程定义为“再生性重塑”（Regenerative Remodeling, RR）。尽管RR对于产奶动物至关重要，但驱动这一过程的细胞和分子机制，尤其是在大型哺乳动物中，仍然是一个未解之谜。
研究策略：多组学联合解析山羊乳腺
为了揭开RR的神秘面纱，研究人员选择了萨能奶山羊作为大型哺乳动物模型。他们首先通过组织学分析，确认了在妊娠与泌乳重叠期，山羊乳腺确实发生了独特的形态学变化，并确定了-4周（产前4周）是RR过程中的一个关键转折点。
为了深入探究其分子机制，研究团队运用了多种前沿技术，构建了一个全面的研究框架：
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多组学测序分析：对山羊乳腺组织进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）、ATAC-seq（检测染色质开放性）和CUT&Tag（检测转录因子结合位点），系统描绘了RR过程中的细胞图谱、基因表达谱和表观遗传调控网络。
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功能验证模型：建立了山羊乳腺类器官（3D培养模型）和基因敲除小鼠模型，用于在体外和体内验证关键细胞类型和基因的功能。
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细胞谱系追踪：利用伪时间分析（Pseudotime analysis）等技术，重建了乳腺管腔细胞在RR过程中的分化轨迹。
研究结果：发现调控乳腺再生的“开关”
1. 绘制山羊乳腺单细胞图谱，揭示关键细胞亚群
通过对-4周和+1周（产后1周）的山羊乳腺组织进行单细胞RNA测序，研究人员成功绘制了山羊乳腺的单细胞图谱，共鉴定出14个细胞亚群。其中，管腔细胞被进一步细分为四个亚群：管腔激素响应细胞（LumHR）、管腔分泌细胞（LumSec）、管腔祖细胞（LumProg）和管腔分泌前体细胞（LumSecP）。
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LumHR细胞：高表达激素受体（如PR、ESR1）和催乳素受体（PRLR），主要功能是响应激素信号，调控乳腺发育。
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LumSecP细胞：高表达祖细胞标志物（如ALDH1A3），但低表达成熟分泌标志物，处于向分泌细胞分化的过渡阶段。
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LumSec细胞：高表达乳汁蛋白和脂肪合成相关基因（如CSN2、FABP3），是执行泌乳功能的主要细胞。
2. LumHR细胞是调控LumSecP分化的关键“开关”
细胞比例分析发现，在RR的关键期（-4周），LumHR细胞的比例显著降低，而LumSecP细胞则大量积累。伪时间分析显示，LumSecP是LumSec的直接前体细胞。为了验证LumHR细胞的功能，研究人员利用山羊乳腺类器官模型进行了实验。他们发现，用催乳素（PRL）处理类器官后，LumHR细胞被激活，同时LumSecP细胞的比例下降，而LumSec细胞的比例上升。这表明，LumHR细胞通过PRLR通路，像一个“开关”一样，控制着LumSecP向LumSec细胞的分化。
3. 体内基因敲除实验证实LumHR细胞的核心作用
为了在活体动物中验证这一发现，研究人员构建了小鼠RR模型，并利用腺相关病毒（AAV）介导的基因工具，特异性敲除小鼠乳腺中的LumHR细胞。结果发现，敲除LumHR细胞后，小鼠乳腺的腺泡结构发育受损，LumSecP细胞大量堆积，而LumSec细胞显著减少。这直接证明了LumHR细胞对于促进LumSecP细胞分化、维持乳腺正常再生至关重要。
4. 揭示IRF1-ESRRB轴是调控LumHR细胞增殖的“刹车”
既然LumHR细胞的比例在RR过程中需要被精确调控，那么是什么在控制它的数量呢？通过单细胞调控网络分析，研究人员发现转录因子IRF1在-4周的LumHR细胞中活性最高。功能实验表明，IRF1能够抑制LumHR细胞的增殖。进一步研究发现，IRF1通过直接结合并上调另一个转录因子ESRRB的表达，从而抑制LumHR细胞的增殖。在IRF1基因敲除（IRF1-KO）的小鼠中，乳腺中的LumHR细胞过度增殖，证实了IRF1是LumHR细胞增殖的“刹车”。
研究结论与意义
本研究系统性地揭示了大型哺乳动物乳腺再生性重塑的细胞和分子机制。研究团队发现，管腔激素响应细胞（LumHR）是调控这一过程的核心“开关”。在再生性重塑的早期，IRF1-ESRRB信号通路上调，抑制了LumHR细胞的增殖，从而为管腔分泌前体细胞（LumSecP）的积累创造了条件。随后，在激素信号的驱动下，LumHR细胞通过PRLR通路，促进LumSecP分化为成熟的管腔分泌细胞（LumSec），最终实现乳腺的快速更新和功能恢复。
这项研究不仅首次绘制了山羊乳腺的单细胞图谱，为乳腺生物学研究提供了宝贵的资源，更重要的是，它阐明了LumHR细胞在调控乳腺再生中的核心作用，并揭示了IRF1-ESRRB这一新的调控轴。这些发现不仅深化了我们对乳腺发育生物学的理解，也为通过靶向调控乳腺组织再生来提高产奶量提供了新的理论依据和潜在靶点。
