肺脏的漫长发育在胎儿出生之前就早早展开了。在受孕后的第四周，肺芽便从前肠内胚层中特化出来；远端芽尖随即展开一系列的分叉，促成逐步复杂化的树状形态。然而，这一过程中究竟有哪些细胞类型，以及这些细胞类型具体发挥哪些作用尚且没有完全被科学家们破解。人体胚胎肺脏的系统性研究的空白，不仅阻碍了对于先天性肺部疾病的研究，也在一定程度上限制了模仿真实发育过程（如定向分化多能干细胞成为肺部细胞）的相关疗法的进展。

图1绘制肺发育过程的“伦敦地铁地图”。粗线代表近端，细线代表远端，不同颜色象征不同发育谱系。

年12月8日，英国剑桥大学格登研究所EmmaL.Rawlins与剑桥大学桑格研究所SarahA.Teichmann、KerstinB.Meyer团队，以及剑桥大学欧洲生物信息所JohnC.Marioni团队合作（共同一作为何鹏、孙大韪、林炅泰），于Cell在线发表文章Ahumanfetallungcellatlasuncoversproximal-distalgradientsofdifferentiationandkeyregulatorsofepithelialfates。为了精准地寻找发育过程中的细胞类型，研究人员通过高质量的5’端单细胞转录组测序、单细胞染色质开放性测序和单细胞原位成像的方法，绘制出迄今最详细最精准的人肺发育细胞图谱，发现并整理了人体肺脏发育过程中出现的种细胞亚型和细胞状态的基因表达特征，其中包含大量先前未曾发现的新型细胞。作者团队对这些细胞亚型进行了大规模的时空定位探针实验，揭示了发育过程中转瞬即逝的亚型与成人肺癌之间潜在的转录调控联系。

作者团队解剖了从第五周到第二十二周的人体肺脏样品，综合多种酶促消化方案，将肺组织打散成单个的游离细胞，并使用测序的方法对其逐一进行多组学定量(图2)。

图2图谱构建的采样时间点。数字代表受孕后的周数

作者团队使用独特的高分辨率计算分析方法，结合深度文献检索对比，最终识别出种细胞亚型和状态(图3)，让肺发育过程中千姿百态的细胞世界水落石出。

图3高清肺图谱的转录组二维投影图。每个原点代表一个细胞，相似类型的细胞在二维空间里相互吸引汇聚。不同的颜色代表种细胞亚型和细胞状态的区别。

那么，为什么要研究人而不是小鼠等模式生物呢？原来，小鼠和人的肺在发育问题上有已知的诸多不同。

而作者团队在用探针杂交链式反应(HCR)的方法对关键细胞类型进行空间定位时，还发现了人不同于小鼠的肺泡细胞分化模式(图4），进一步展现了直接使用人体组织进行研究的必要性。

图4人肺泡发育的模型示意图

此外，作者团队发现了两种新型成纤维细胞，一种富集于近端气管(airwayfibroblasts)，另一种富集于远端柄细胞附近(myofibroblasts)。针对后者的功能，作者团队在同期发表的CellStemCell中进行了详细的论述，并提出WNT通路屏障作用假说。

作者团队综合大规模的空间、时间定位，归纳出了肺部发育时空梯度的新版参考图（下图详细展示了不同时期胎儿肺中各种上皮细胞种类的相对位置，图5）。

图5人肺脏上皮细胞发育的新时空观。左为远端（肺泡方向），右为近端（上呼吸道方向），上为早期，下为后期

而这份详尽的参考图里，最有意思的要数神经内分泌细胞（以下简称神泌细胞）了。作者团队发现，除了已知的肺神经内分泌细胞（功能包括感受氧气等化学信号并传输给神经系统）以外，它的谱系发育轨迹上还有一条“旁支”，这一特殊旁支亚型与曹俊越等在年发表的单细胞肺图谱中简略提到的新亚型吻合。对于这一新亚型，作者团队将其比对了成人小细胞肺癌的分子数据，发现其与近年来发现的N型小细胞肺癌高度相似。而这种新亚型在已知数据库里存在于早期胚胎的人肺脏里，在正常成人的肺里毫无踪影，这暗示着该细胞在发育和癌症这两大过程之间隐藏着的“阴-阳”纽带。

鉴于这种神秘的亚型在小鼠中并无对应的存在，作者团队对其来源和调控进行了深入研究。团队使用单细胞染色质开放性测序(scATAC-seq)的方法对同批次肺部样品进行了分析，罗列出了神经内分泌细胞染色质开闭变化相关的最可能发挥作用的转录因子，并利用类器官的方法在三维培养基里对这些重点转录因子进行逐一过表达测试。这一体外测试证明，ASCL1可以充分促进类器官向传统神泌细胞分化，而NEUROD1和NEUROG3则可以各自充分促进类器官向新亚型神泌细胞分化。这一现象揭示了这三个转录因子在细胞命运调控中强有力的定向作用，并为研究N型小细胞肺癌提供了一种潜在的新模型。

这项研究绘制了人肺脏胚胎发育的最新最详细的地图，为肺的研究和发育生物学提供了大量的新信息，同时也揭示了发育与癌症之间新的关联。随着后续研究的展开，人类对生命的孕育和疾病的治疗将理解得更加深入、透彻。

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