神经细胞引导下多细胞协同调控奶山羊角芽发育的单细胞转录组解析

本研究针对家畜角发育机制不清的问题，通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术解析了奶山羊胚胎角芽发育过程中细胞异质性和命运轨迹。研究人员结合HE染色和免疫组化分析，揭示了神经细胞通过调控毛囊细胞退化、真皮细胞分化和上皮-间质转化(EMT)等过程协调角芽起始的关键机制，鉴定出EGR1、ZEB2等8个角形态发生相关候选基因，为家畜无角化育种提供了重要理论依据。

　　

在自然界中，羊角作为反刍动物的标志性特征，既是防御武器又是性选择工具。然而在畜牧业生产中，带角家畜容易造成人员伤害、设施损坏和乳房损伤，每年给养殖业带来巨大经济损失。虽然已知羊角起源于神经嵴干细胞(NCSCs)，但关于角芽起始的细胞协同机制和分子调控网络仍知之甚少。特别是山羊角发育的胚胎期关键事件时间节点和细胞互作模式，尚未在单细胞分辨率下被系统解析。

青岛农业大学联合多家机构的研究团队在《Genetics Selection Evolution》发表重要成果，首次通过单细胞转录组测序技术绘制了奶山羊胚胎角芽发育的细胞图谱。研究选取E50、E60和E70三个关键发育阶段的胚胎样本，运用10x Genomics单细胞测序平台构建转录组文库，结合免疫荧光染色和伪时间轨迹分析，系统揭示了多细胞协同调控角芽起始的分子机制。

关键技术方法包括：1)采集E70胚胎角芽和额部皮肤组织制备单细胞悬液；2)10x Genomics Chromium系统构建单细胞文库；3)Cell Ranger和Seurat软件进行细胞聚类分析；4)Monocle算法构建细胞分化轨迹；5)免疫组化验证关键标记基因表达；6)CellPhoneDB分析细胞间通讯网络。

研究结果主要包括：

【ScRNA-seq identified different cell types】通过UMAP聚类鉴定出23个细胞亚群，包括高表达LUM/COL1A1的真皮细胞、表达TOP2A/CENPW的上皮细胞、富含KAT14的角质形成细胞等。角芽组织表现出更显著的上皮层增厚和角质细胞空泡化特征。

【Cell lineage developmental trajectories】伪时间分析揭示5个分支11种状态的发育轨迹：神经细胞作为起始信号(分支1)触发毛囊细胞退化，通过真皮细胞中间态(分支2)将信号传导至上皮细胞，神经嵴细胞迁移(分支3)促进上皮-间质转化，最终通过软骨细胞增殖(分支4)和角质细胞分化(分支5)完成角芽形成。

【Pseudo-time trajectory analysis】分支1关键基因集分析发现，SNAI2、NGFR等基因动态调控上皮-间质转化过程。免疫荧光证实LEF1在基底层圆柱细胞核特异性表达，LUM在真皮细胞外基质高表达，共同参与角芽形态发生。

【Differential gene expression】角质形成细胞中TOP2A/KRT10上调，神经细胞中APOD/ZEB2升高，共同富集于Wnt和TGF-β信号通路。免疫组化显示SOX9在E70角芽中特异性表达，证实神经嵴细胞分化的关键作用。

【Functional enrichment analyses】GO分析显著富集"神经嵴发育"和"角质形成细胞分化"等条目，KEGG分析显示Wnt通路核心基因SFRP4、WNT5A的阶段性表达特征。鉴定出EGR1、ZEB2、SFRP2、KRT10、FMOD、CENPW、LDB1和TWIST1等8个角形态发生关键调控因子。

该研究首次在单细胞层面解析了山羊角芽发育的细胞编程机制，提出"神经引导的多细胞协同"模型：神经细胞作为发育起始信号，通过级联激活毛囊退化、真皮重塑和上皮转化等事件，最终驱动角质形成细胞定向分化。这一发现不仅填补了反刍动物角发育理论的空白，更重要的是为通过基因编辑培育无角奶山羊提供了精准靶点。研究建立的单细胞分析方法也为其他家畜器官发育研究提供了范式，对推动畜牧业精准育种具有重要实践意义。