小鼠继发腭发育中上皮与间充质细胞间通讯及胞内调控的单细胞多组学解析

本研究针对小鼠继发腭发育过程中上皮与间充质细胞互作的分子机制不明确的问题，通过单细胞多组学测序技术（scMultiome）同时分析35,150个细胞的染色质可及性（ATAC-seq）和基因表达（RNA-seq），发现WNT、BMP和PDGF信号通路在E12.5时期活性达到峰值并主导细胞间通讯，其中鼻上皮富集WNT信号、口腔上皮富集BMP信号、牙上皮富集PDGF信号。该研究为理解腭部形态发生的细胞动态调控提供了新见解，对先天性腭裂的机制研究和临床干预具有重要理论价值。

　　

在哺乳动物胚胎发育过程中，继发腭的形成是颅面发育的关键环节，这一过程的失调会导致先天性腭裂，成为最常见的出生缺陷之一。尽管以往研究已初步揭示了上皮细胞与间充质细胞之间的相互作用在腭部发育中扮演重要角色，然而这些细胞群体间通信的具体分子机制及其在时空上的动态变化仍不明确。传统的单细胞RNA测序（scRNA-seq）虽能解析细胞异质性，却难以直接捕捉细胞间通信的机制，更无法同时获得表观遗传调控层面的信息。因此，开发新的研究策略以系统揭示继发腭发育中的细胞互作网络，具有重要的科学意义和临床价值。

针对这一挑战，Usama Hussein、Yulin Dai、Andi Liu、Toshiyuki Itai、Fangfang Yan、Lukas M. Simon和Zhongming Zhao共同在《Computational and Theoretical Chemistry》上发表了一项整合单细胞多组学测序与生物信息学推断的研究。该研究通过对小鼠胚胎E12.5、E13.5、E14.0及E14.5四个时间点的35,150个细胞同时进行染色质可及性（ATAC-seq）和转录组（RNA-seq）分析，首次在单细胞水平系统刻画了继发腭发育过程中细胞间通信及关键信号通路的动态变化。研究发现WNT、BMP和PDGF是这一过程中的核心调控通路，其活性在E12.5时期达到高峰，随后逐渐下降，并且这些通路在上皮细胞的不同亚群中具有明显的空间特异性分布特征。

本研究主要依托以下几项关键技术：首先，利用10x Genomics单细胞多组学测序（scMultiome）技术同步获取同一细胞的基因表达和染色质开放状态数据；其次，借助Seurat（v4）和Signac（v1.5.0）软件包进行数据质控、标准化与整合分析；第三，采用CellChat工具系统推断细胞间通信网络，识别不同发育阶段中富集的配体-受体互作及信号通路；此外，通过加权最近邻（WNN）分析方法整合多模态数据，并利用GeneActivity函数评估基因活性，通过LinkPeaks功能建立调控元件与基因之间的连接。本研究所用数据来自Gene Expression Omnibus（GEO）数据库，编号GSE218576，并引入外部验证集GSE132462（E11.5样本）以增强结果可靠性。

2.1. 单细胞多组学技术在继发腭发育研究中的应用

研究人员对来自四个发育时间点的35,150个细胞进行多组学测序，整合转录组与表观遗传数据后鉴定出16个细胞类群，包括颅神经嵴来源间充质细胞、肌细胞、内皮细胞、神经元、胶质细胞和上皮细胞等。通过无监督聚类和标志基因表达分析，进一步将间充质细胞划分为8个亚型，上皮细胞划分为6个亚型，包括口腔上皮、鼻上皮、牙上皮等。比例分析显示，颅神经嵴间充质细胞和上皮细胞在细胞构成中占主导，且其比例随发育时间发生显著变化。

2.2. 上皮细胞群体展现不同的信号模式

通过CellChat进行系统性的细胞通信网络分析，发现上皮细胞在E12.5时表现出最强的信号发出和接收活性，尤其是牙上皮、鼻上皮和口腔上皮这三个亚群。这些细胞亚群随时间推移其互作强度逐渐减弱。与此相对，未被分化的上皮、围皮膜和口外上皮等亚群的信号活动较弱，且缺乏典型通路如WNT、BMP或PDGF的富集。

2.3. WNT通路是上皮细胞中的关键信号来源

研究表明，WNT信号通路是上皮-间充质互作中的主导通路，尤其在E12.5时期，主要由Wnt4与受体Fzd2+Lrp6和Fzd3+Lrp6的互作所驱动。基因表达与染色质可及性分析显示，Wnt4和Wnt6在上皮细胞中显著高表达，且其调控区域呈现开放的染色质状态。进一步的转录调控网络分析提示，转录因子Klf1/5和Egr1可能参与调控Wnt4与Wnt6的表达。亚群分析突显了鼻上皮作为WNT信号主要来源的特征。

2.4. BMP通路是E12.5时期上皮细胞的主要信号机制

BMP信号在上皮细胞中也显示发育阶段特异性的活跃状态，尤其在E12.5时期。其主要配体-受体对为Bmp7-(Bmpr1a+Bmpr2)及Bmp7-(Bmpr1b+Bmpr2)。口腔上皮被鉴定为BMP信号的关键来源，其与周围间充质细胞间的通信概率显著高于其他时期。基因调控分析表明，Bmp7的表达受到Sox2、Pitx1、Foxe1和Klf5等转录因子的精细调控。

2.5. PDGF通路是上皮细胞信号传导的主要机制

PDGF信号通路在上皮细胞介导的通信中同样发挥关键作用，其活性高峰出现在E12.5。该通路主要由Pdgfc-Pdgfra和Pdgfa-Pdgfra两对配体-受体介导。研究显示，牙上皮是PDGF信号的主要来源，其信号强度随发育进行而逐渐减弱。调控分析表明，Pdgfa的表达受Fos、Hes、Meis1和Sox2等因子正向调控，而Pitx1起抑制作用；另一方面，Pdgfc的表达则被Foxp1、Foxe1、Mycl和Sox2抑制，但被Meis1激活。

本研究系统揭示了WNT、BMP和PDGF信号通路在小鼠继发腭发育过程中的核心作用，其活性在E12.5时期达到高峰，并呈现显著的空间特异性——鼻上皮中WNT信号最为活跃，口腔上皮中BMP信号占主导，而牙上皮则主要依赖PDGF信号进行细胞间通信。这些信号通路的时空动态变化对上皮-间充质相互作用的精确调控具有重要作用，进而影响细胞增殖、分化与组织形态建成。

该研究不仅深化了对腭部发育细胞和分子机制的理解，也为先天性腭裂等颅面畸形的病因解析提供了潜在靶点。例如，WNT通路中Lrp6等基因的突变与唇腭裂发生密切相关；BMP信号异常则影响腭部间充质细胞的增殖与成骨分化；PDGF信号缺陷可能导致腭突扩展失败。多组学技术与生物信息学方法的结合，为发育生物学研究提供了可推广的新范式。未来的研究可进一步整合空间转录组学技术，在解剖结构层面验证这些通路的分布与功能，推动颅面发育生物学向更精准、动态和系统化的方向发展。