轴向肾单位命运转换揭示可塑性调控系统：WNT/BMP/FGF信号通路协同调控人类肾单位轴向模式形成

本研究针对人类肾单位轴向模式形成机制不清的关键问题，通过建立iPSC来源的肾脏类器官模型，结合单细胞转录组和空间转录组技术，揭示了WNT/BMP/FGF信号通路协同调控肾单位轴向分化的分子机制。研究发现短暂维持WNTON/BMPOFF状态可诱导远端肾单位命运，而FGF信号抑制会促使细胞重编程为近端状态，这一可塑性转换依赖BMP信号转导。该成果发表于《Nature Communications》，为按需生成特定肾单位细胞提供了新策略。

　　

肾脏作为人体重要的排泄和调节器官，其功能单位——肾单位的发育过程一直是发育生物学的研究难点。每个肾脏在胚胎发育期形成约100万个肾单位，这些高度模式化的管状结构通过特化细胞类型精确调控体液平衡、血压和尿液分泌。然而，人类肾单位发育过程中轴向模式（从近端到远端）形成的分子机制长期未被阐明，这严重制约了肾脏再生医学的发展。传统肾脏类器官培养系统存在远端肾单位片段代表性不足、细胞状态不成熟等问题，亟需建立能够精确控制肾单位轴向分化的实验模型。

为破解这一难题，南加州大学的MaryAnne A. Achieng等研究者创新性地建立了诱导多能干细胞（iPSC）分化的肾脏类器官系统。研究团队采用改进的Takasato方案，通过时序性调控关键信号通路，成功实现了数百个发育同步的肾单位样结构（nephroids）的生成。研究整合单细胞RNA测序、空间转录组（seqFISH）和小分子抑制剂筛选等技术，首次系统描绘了人类肾单位轴向模式形成的调控网络。

关键技术方法包括：1）建立可产生数百个发育同步肾单位的iPSC类器官分化系统；2）应用小分子抑制剂组合（CHIR99021、LDN 193189、LY294002）精确调控WNT、BMP和PI3K信号通路；3）采用单细胞转录组分析揭示不同处理条件下类器官细胞的命运转变；4）通过空间转录组技术定位FGF8等关键分子在发育中肾脏的表达模式；5）使用FGFR1抑制剂（SU-5402和PD-166866）验证FGF信号在命运决定中的核心作用。人类胎儿肾脏样本（孕14-17周）提供了重要的在 vivo 参照。

自发肾单位轴向模式形成的可塑窗口

研究发现体外培养的肾单位样结构在分化第10-12天（DD10-DD12）经历从pretubular aggregates（PTAs）到renal vesicles（RVs）的关键转变，这是操纵轴向对称性破缺的理想时间窗。通过标记物分析发现，仅约10%的DD12类器官表现出WT1蛋白的极性下调（轴向模式起始标志），到DD14时比例增至23%。与体内发育不同，多数类器官肾单位在RV阶段仍保持WT1均匀表达，表现出明显的近端分化倾向。

改变WNT和BMP信号使肾单位轴向模式向远端程序转变

研究团队通过小分子抑制剂筛选发现，联合激活WNT（CHIR99021）和抑制BMP（LDN 193189）信号可协同促进远端肾单位标志物（TFAP2A、POU3F3、HNF1B）表达。条件8（DD10-11抑制PI3K，DD11-12激活WNT并抑制BMP）被确定为远端富集（distal-enriched, DE）方案，能显著抑制足细胞（WT1+）分化，促进形成延伸的CDH1+/JAG1^low肾小管。

短暂BMP^OFF和WNT^ON状态启动远端肾单位形成

单细胞转录组分析显示DE类器官细胞主要呈现远端肾单位特征，表达TFAP2A、EMX2等远端RV标志物，以及GATA3、MAL等晚期远端标志物。与对照组富含足细胞（NPHS2+、PODXL+）不同，DE条件特异性上调FGF8、FGF10和FGF18（log2FC=3.421-5.288），提示FGF信号通路激活在远端化中的关键作用。

远端化肾单位分化为髓袢升支命运

通过将类器官转录组映射到人类肾脏参考数据集，发现DE类器官细胞最接近髓袢升支（thick ascending limb, TAL）前体状态。免疫荧光证实DD28 DE类器官主要包含TFAP2A+/SLC12A1+/ERBB4+细胞，其中镶嵌表达PAPPA2和IRX1，而近端小管（HNF4A+）和足细胞（MAFB+）标志物罕见。这些细胞表达多种TAL特异性离子转运蛋白（如NKCC2、ROMK、CIC-Kb），与Bartter综合征相关基因谱高度吻合。

FGF和BMP信号调控调节区域特性转变

空间转录组揭示FGF8在发育中肾脏的动态表达：早期定位于远端TFAP2A+细胞，随后向形成中的IRX1+区域扩展，最后在connecting tubule阶段关闭。当DE类器官中抑制FGFR1时，远端程序被逆转，近端小管（HNF4A+）和足细胞重新出现。而同时抑制FGFR1和BMP信号时，细胞又恢复远端特性，证明BMP信号是近端命运转换的必要条件。

该研究首次系统阐明了WNT/BMP/FGF信号网络协同调控人类肾单位轴向模式形成的分子机制。研究发现短暂维持WNT^ON/BMP^OFF状态可通过内源性激活FGF信号驱动远端肾单位命运，而抑制FGF信号会使细胞重编程为近端状态，这一可塑性转换严格依赖BMP信号转导。研究建立的DE类器官模型能高效产生TAL样细胞，为肾脏疾病建模（如Bartter综合征）和再生医学提供了重要工具。从更广泛的发育生物学视角看，这项工作揭示了信号通路剂量和时间依赖性调控在器官模式形成中的普适性原理，为理解其他管状器官的发育提供了新思路。

论文的创新性主要体现在三个方面：1）开发了可精确控制肾单位轴向分化的类器官平台；2）发现了FGF8在髓袢升支命运决定中的不可替代作用；3）阐明了BMP信号在近端命运转换中的"分子开关"功能。这些发现不仅填补了人类肾单位发育机制的知识空白，也为定向分化特定肾单位细胞类型提供了可操作的技术路线。未来研究可进一步探索不同FGF受体（如FGFR2/3）在肾单位成熟过程中的特异性作用，以及如何模拟体内微环境促进类器官功能成熟。