小鼠胰腺的多组学单细胞核分析揭示腺泡细胞的动态表观遗传异质性

《CELL DEATH AND DIFFERENTIATION》：Multi-omic single nuclei profiling of murine pancreas shows dynamic epigenetic heterogeneity of acinar cells

　　

胰腺组织具有复合性和可塑性。由于缺乏能够高效回收上皮细胞的方法，不同细胞类型的表观遗传特征尚未得到充分描述。本研究改进了经典的单细胞分析流程，优化了从难解离组织中收集细胞核的方法。研究人员通过配对RNA/ATAC多组学单细胞核测序（paired RNA/ATAC multiomic single-nucleus sequencing）对小鼠胰腺进行深入图谱绘制，记录了实质中每个细胞的转录组和染色质可及性谱。这使得能够对胰腺外分泌部分进行卓越的检查。研究人员在计算机内（in silico）描述了内分泌-外分泌相互作用，并在体外（in vitro）验证了促增殖信号。同时，研究人员以整体方式评估了胰腺细胞异质性。研究表明，胰腺腺泡细胞能够获得多种表型状态，导致胰腺腺泡的功能多样化。特别是，研究人员在体内（in vivo）鉴定出超特化的ZG16^HIGH细胞，并通过追踪合成氨基酸的掺入，将其与卓越的蛋白质合成相关联。利用基因表达和染色质开放的配对，研究人员研究了决定腺泡细胞特化的表观遗传元件，以及它们如何受炎症后组织修复的影响。研究人员发现，一部分腺泡细胞对炎症信号表现出增强的敏感性，导致广泛而持久的染色质开放。该数据集是一个开源框架，用于探究小鼠胰腺的分子组织学。

胰腺由外分泌和内分泌两部分组成，两者协作维持器官功能，但在病理状态下常被破坏。尽管胰腺具有卓越的再生能力，其细胞动力学和分子机制仍不清楚。单细胞技术虽可用于解析胰腺分子组织学，但由于胰腺组织富含蛋白酶、细胞连接紧密且空间结构复杂，解离困难，导致现有研究存在细胞回收偏向性和表观基因组扰动。因此，亟需一种能高效回收所有细胞类型且不扰动转录组与表观基因组的方法，以全面描绘胰腺的细胞异质性和表观遗传动态。

为填补这一空白，研究人员改进了从冷冻胰腺中纯化完整细胞核的方案，并应用配对RNA/ATAC多组学单细胞核测序（snRNA/ATAC-seq）对小鼠胰腺进行深入分子图谱绘制。该研究发表在《CELL DEATH AND DIFFERENTIATION》。研究得出了重要结论：成功解析了胰腺细胞组成，发现腺泡细胞存在从超特化分泌到反应性闲置的表型连续体，并揭示了AP诱导的表观遗传记忆主要存于腺泡细胞。这为理解胰腺再生、炎症记忆及其疾病意义提供了开放资源框架。

主要关键技术方法包括：从冷冻胰腺粉末中，使用含蔗糖和柠檬酸的缓冲液分离细胞核，以保护RNA并减少蛋白酶释放；随后利用10x Genomics Chromium平台进行配对单细胞核RNA和ATAC文库构建（Multiome Kit），同时捕获基因表达和染色质可及性；测序后使用加权共享最近邻分析（wnn）整合数据，并运用CellChat、CellRank2、Monocle3、CICERO、SCENIC+等工具进行细胞互作、轨迹推断和基因调控网络分析。样本队列为野生型小鼠（na?ve组）和经雨蛙素（cerulein）诱导急性胰腺炎（AP）后早期（1周）和晚期（4周）的组别，每组3只小鼠。此外，还使用了Pdx1-Cre; LSL-R26-MetRS^*转基因小鼠进行体内新生蛋白标记实验。

**1. 胰腺实质的单细胞核特征**：通过配对snRNA/ATAC-seq和wnn分析，鉴定了22个聚类对应15种细胞类型，成功高效回收外分泌细胞（约73%），并首次在单细胞核水平观察到腺泡细胞特异的染色质特征，这在先前解离细胞的研究中未能发现。

**2. 小鼠胰腺细胞拓扑图**：在na?ve胰腺中描述细胞组成，验证了β细胞的转录组和表观基因组特性。利用CellChat预测细胞间通讯，发现β细胞通过胰岛素信号与大多数细胞类型（特别是脂肪细胞和增殖性腺泡细胞）相互作用。体外实验证实，胰岛素和细胞外基质成分（胶原/层粘连蛋白）促进腺泡细胞增殖。

**3. 腺泡细胞的单细胞核分析**：与先前研究比较，本研究的腺泡细胞转录组和染色质可及性图谱更完整且与细胞本体论相关。通过wnn分析鉴定出7个有丝分裂后腺泡细胞亚群和一个增殖亚群，表明腺泡细胞存在显著异质性。进一步发现腺泡细胞呈现从分泌（S）到闲置（I）的表型连续体，其中Cluster 1为超特化ZG16^HIGH分泌细胞。通过体内新生蛋白标记实验证实这些细胞具有更高的蛋白质合成能力。

**4. 腺泡细胞分泌状态由表观遗传元件决定**：利用CellRank2和Monocle3进行伪时间分析，表明分泌和闲置状态是表观遗传谱的两端。SCENIC+分析鉴定出eRegulons，预测Elf1和Nr3c1等转录因子驱动腺泡细胞向分泌状态特化。CICERO分析显示染色质沿线性轨迹重塑，闲置细胞富含KLF结合位点。

**5. 胰腺稳态的细胞和分子分析**：在AP后，增殖性腺泡细胞在早期显著增加。tascCODA分析表明腺泡细胞是AP后最动态的细胞群体。腺泡细胞亚群丰度在AP后发生重塑：闲置细胞在早期减少，而过渡态（T）细胞增加。闲置细胞对炎症信号更敏感，其染色质在AP后早期广泛开放，且与再生相关基因组区域重叠。

**6. 表观遗传记忆的单细胞核分析**：AP诱导的表观遗传重编程主要影响腺泡细胞，并在炎症消退后持续存在。28天后，腺泡细胞仍表现出ER应激相关基因上调。对二次刺激的反应增强，RNA测序显示一组基因仅在二次雨蛙素注射后差异表达。表观遗传记忆以双相方式发生：早期炎症直接诱发的重塑和后期通过细胞状态失调介导的缓慢重塑，过渡态腺泡细胞保留了类似闲置细胞的染色质特征。

讨论部分总结，单细胞核测序克服了胰腺解离的技术挑战，提供了完整的胰腺细胞图谱。研究结论表明，腺泡细胞存在功能异质性，超特化分泌细胞应激反应能力较低，而闲置细胞更易响应炎症信号并发生表观遗传重塑。AP诱导的表观遗传记忆主要存于腺泡细胞，通过ER应激等机制促进组织再生和疾病易感性。这些发现为理解胰腺再生、炎症记忆及其与胰腺癌、糖尿病等疾病的关系提供了概念和方法学框架。