回肠感染单细胞蛋白转录图谱揭示上皮-免疫细胞互作重编程

《Nature Immunology》：Diverse infections transcriptionally reprogram the intestinal epithelium and epithelial–immune cell interactions

远端小肠（small intestine）通过调节营养和液体稳态在宿主生理中发挥关键作用。尽管回肠（ileum）受克罗恩病（Crohn's disease）影响并是多种感染的主要靶部位，但研究人员对感染期间回肠细胞响应及细胞间通讯的复杂性知之甚少。本研究呈现 GutPath，一个包含超过 500,000 个单细胞的图谱，具有 RNA 与蛋白质表达谱，涵盖多样感染原型下回肠的 91 种细胞状态（cell states）。研究人员显示 GutPath 准确捕获已确立的感染免疫应答，同时揭示肠上皮细胞（enterocytes）中病原特异性响应。为凸显该图谱的发现潜力，研究人员鉴定出假结核耶尔森菌（Yersinia pseudotuberculosis）感染期间存在的一种新型肠上皮转录状态，该状态在空间上与细菌负荷及组织病理相关。GutPath 为免疫学领域提供了亟需的资源，将加速小肠细胞景观中转录多样性研究。

研究背景方面，小肠承担消化与免疫挑战，回肠负责维生素 B₁₂、胆汁酸及脂溶性维生素吸收，也是克罗恩病与多种病原感染热点。既有单细胞研究多聚焦大肠、稳态或少数细胞类型，感染诱导的免疫过程在回肠单细胞资源中代表性不足，跨系统发育多样病原的统一图谱缺失。为此，研究人员构建 GutPath，用 CITE-seq（cellular indexing of transcriptomes and epitopes by sequencing）对小鼠回肠及回肠引流肠系膜淋巴结（mesenteric lymph node，MLN）在病毒、细菌、真菌、原虫、线虫等模型中进行单细跑 RNA 与约 100 种表面蛋白同步分析，形成超 50 万细胞资源，注释回肠 91 种、MLN 49 种转录细胞状态。论文发表于《Nature Immunology》。

关键技术方法上，研究人员采用口服或皮下接种建立 SF（segmented filamentous bacteria，SFB）、假结核耶尔森菌、巴西日圆线虫（Nippostrongylus brasiliensis）、白色念珠菌（Candida albicans）、微小隐孢子虫（Cryptosporidium parvum）及鼠诺如病毒（murine norovirus，MNV）CR6 感染或定植小鼠队列，分选肠上皮细胞（intestinal epithelial cells，IECs）、固有层（lamina propria，LP）与 MLN，用 CITE-seq 获 mRNA 与抗体来源标签（antibody-derived tags，ADTs），以加权最近邻（weighted nearest neighbor）整合，手动与自动注释细胞状态，并用空间转录组、代谢组与细胞间通讯分析延伸结论。

创建回肠对多样微生物的单细胞图谱（Creating a single-cell atlas of the small intestinal response to diverse microorganisms）：研究人员通过 CITE-seq 建库与质控保留 505,956 个高质量细胞，MLN 与回肠分别为 184,973 和 320,983 个；UMAP 显示 MLN 以 B 细胞、T 细胞、固有淋巴样细胞（innate lymphoid cells，ILCs）为主，IEC 以上皮细胞为主，LP 富集间质、内皮、肠神经与 B 细胞。感染改变组成：假结核耶尔森菌扩中性粒细胞，巴西日圆线虫扩簇细胞和 ILC。高分辨率注释得回肠 91 状态，含早期/中期/晚期肠上皮分化、Yps 肠上皮细胞、Pla2g4c⁺ 肠上皮细胞、炎性滋养细胞、端细胞（telocytes）、周细胞、肠嗜铬细胞、Cajal 间质细胞等。

GutPath 捕获模型感染的免疫标志（GutPath captures immune hallmarks of model infections）：用邻域差异丰度与签名评分，巴西日圆线虫富集簇细胞/杯状细胞，假结核耶尔森菌募单核/中性粒，隐孢子虫与假结核耶尔森菌上调 Ifng 与 Hallmark IFNγ 信号，MNV 呈温和 I 型干扰素信号，念珠菌（Candida）与 SFB 在 MLN T 细胞富 TH17 分化且念珠菌回肠富 TGFβ 信号，证明图谱重述系统发育多样病原的免疫原型。

感染改变肠上皮细胞发育与营养生理（Infection alters enterocyte development and nutrient physiology）：MAST 差异基因显示 MNV 与念珠菌变化弱，隐孢子虫/SFB 中等，巴西日圆线虫/假结核耶尔森菌最强；IEC、干细胞、 Transit-amplifying 细胞为共同驱动。拟时间（pseudotime）见隐孢子虫/SFB 成熟肠上皮丢失，假结核耶尔森菌/巴西日圆线虫推向更成熟或不同状态。tradeSeq 发现溶质载体（solute carrier，SLC）转运蛋白如 Slc28a2、Slc6a6 下调，Slc20a1、Slc25a39 表达时机改变，说明感染扰肠上皮营养转运。

肠上皮细胞在感染中呈病原特异性响应（Enterocytes exhibit pathogen-specific responses during infection）：scCellfie 代谢任务显示巴西日圆线虫肠上皮脂质代谢重编程，次级胆汁酸合成降，脂肪酸处理基因上调；细胞通讯预测肠上皮接收 IL-4/IL-13，并产出 FGF15、CX3CL1；质谱见感染鼠肠上皮刮取物脂肪酸升高且与虫负荷相关，管腔胆汁酸初级成分减少，证 TH2 轴重编程吸收性肠上皮。

假结核耶尔森菌感染刺激肠上皮独特促炎程序（Yersinia infection stimulates a unique proinflammatory program in enterocytes）：不平衡评分与 tradeSeq 显示假结核耶尔森菌独驱肠上皮聚类偏移，出现 Yps 肠上皮细胞，定义基因 132 个含 Saa1、Saa2、Nos2、Reg3a，本体富集免疫防御；motif 富集得 STAT3 与 SREBF1，STAT3 目标基因仅在 Yps 肠上皮高表，表明细菌信号诱导促炎上皮状态。

假结核耶尔森菌感染空间局限炎症重塑回肠上皮（Spatially localized inflammation during Yersinia infection remodels the ileal epithelium）：空间转录组与 Proseg 分割显示假结核耶尔森菌形成 pyogranulomas（PGs），Yps 肠上皮与 PG 空间偶联，细菌负荷与病理区可见独特上皮转录，说明局部炎症在隐窝-绒毛轴区域重排上皮。

讨论与结论部分总结：研究人员指出 GutPath 弥补了回肠在感染状态下多谱系、多模态单细胞资源缺口，证明免疫原型可被跨门级病原重现，同时病原特异性上皮状态（Yps、Pla2g4c⁺）不是稳态注释可覆盖的新层。空间分析把转录状态锚定到 PG、细菌负荷与绒毛分区，桥接了单细胞与组织病理。该资源支持标签迁移、标记基因集与细胞通讯推断，对克罗恩病、感染性腹泻及上皮-免疫轴研究有平台价值。结论可译为：GutPath 建立了免疫学界亟需的回肠感染单细胞与蛋白表达图谱，准确捕获已确立的免疫应答并揭示肠上皮的病原特异性重编程；其所鉴定的新型肠上皮状态在空间上与细菌负荷及组织病理相连，该图谱将加速小肠细胞景观中转录多样性的研究。