近日，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《Science》發(fā)表了江西農(nóng)業(yè)大學(xué)黃路生院士團(tuán)隊的重要研究成果。在構(gòu)建全球首個哺乳動物涵蓋同一個體胚胎全身115個組織及其妊娠母親119個組織的單細(xì)胞/單核轉(zhuǎn)錄圖譜基礎(chǔ)上，系統(tǒng)鑒定全身組織890種細(xì)胞類型及其特異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，并進(jìn)一步揭示母胎界面中胎兒尿囊絨毛膜滋養(yǎng)層細(xì)胞因亮氨酸轉(zhuǎn)運不足而導(dǎo)致胎兒生長受限的分子細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)，以及妊娠期間母體心臟能量適應(yīng)的新機(jī)制。

江西農(nóng)業(yè)大學(xué)為唯一完成單位，獨立完成了全部研究工作。中國科學(xué)院院士、中國畜牧獸醫(yī)學(xué)會理事長、國家畜禽遺傳資源委員會主任黃路生、江西農(nóng)業(yè)大學(xué)楊斌研究員、饒琳博士、張青博士為論文共同通訊作者，江西農(nóng)業(yè)大學(xué)蔡麗萍博士、張青博士、姚天雄博士和鄒霄霄博士為論文的共同第一作者。這也是《Science》雜志創(chuàng)刊以來，中國豬遺傳育種領(lǐng)域首篇在該期刊由國內(nèi)單位獨立完成的長篇研究論文。

圖片說明：系統(tǒng)研究覆蓋單一個體全部組織890種細(xì)胞類型轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)特征并揭示家豬胎兒生長受限與妊娠心臟能量適應(yīng)關(guān)鍵細(xì)胞類型及其分子機(jī)制。

背景介紹：

人體約由37萬億個細(xì)胞組成，有序組裝為各類組織與器官，構(gòu)成結(jié)構(gòu)緊密和功能高度復(fù)雜的生命體。單細(xì)胞測序技術(shù)為理解復(fù)雜的生命過程提供了重要手段。截至2026年1月，相關(guān)研究成果已在《Nature》《Science》《Cell》等頂級學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了170多篇文章。然而，迄今幾乎所有圖譜均面臨一個共性限制：全身不同組織的細(xì)胞圖譜多來源于不同個體，還未實現(xiàn)“一個生命體全部組織的系統(tǒng)細(xì)胞解析”。這一局限帶來兩個主要問題：第一，不同個體遺傳、營養(yǎng)、環(huán)境及健康差異會引入大量表達(dá)“噪音”，使得同一或不同細(xì)胞類型的跨器官比較研究缺乏統(tǒng)一參照；第二，難以區(qū)分目標(biāo)基因表達(dá)差異是真正的“細(xì)胞類型特異”，還是由個體差異導(dǎo)致。為此，構(gòu)建“同一個體全部組織的單細(xì)胞圖譜”被包括斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、舊金山分校等發(fā)起的美國Tabula Sapiens聯(lián)盟視為標(biāo)志性目標(biāo)。但即便是在大型哺乳動物中，這一目標(biāo)也仍極具挑戰(zhàn)性，核心難點在于需要在短時間內(nèi)完成超百個組織的同步采集與規(guī)范化細(xì)胞處理，對技術(shù)體系的穩(wěn)定性和時效性提出了嚴(yán)格要求。人類相關(guān)研究中，由美國Tabula Sapiens聯(lián)盟完成的單個個體17個組織的單細(xì)胞圖譜，是目前同一個體組織來源最多的相關(guān)研究成果。

妊娠是母體與胎兒共同經(jīng)歷的關(guān)鍵生命階段。在此期間，母體心臟必須在短時間內(nèi)完成廣泛的生理適應(yīng)，血液輸出量要增加30-50%，同時母體需要通過胎盤向胎兒輸送營養(yǎng)。如果營養(yǎng)運輸不足就可能導(dǎo)致胎兒生長受限。全球養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)中，胎兒生長受限發(fā)病率最高可達(dá)15-20%；人類妊娠中這一比例約為5-10%。由于獲取健康人類母體與胎兒組織樣本受限，相關(guān)機(jī)制研究無法系統(tǒng)開展。豬在解剖結(jié)構(gòu)、生理代謝、免疫系統(tǒng)及器官大小均與人類高度相似，解析這些機(jī)制不僅有助于提高母豬生產(chǎn)效率，也對理解人類妊娠健康具有非常重要意義。為此，構(gòu)建妊娠狀態(tài)下母、胎的全身單細(xì)胞圖譜，并解析正常妊娠母體心臟適應(yīng)及胎兒生長受限的分子細(xì)胞學(xué)機(jī)制具有獨特的科學(xué)價值。

2020年7月項目啟動初期，哺乳動物多種組織的細(xì)胞解離技術(shù)尚不成熟，部分組織因成分復(fù)雜，基質(zhì)干擾性強，難以制備出高活性的單細(xì)胞懸液。面對大型哺乳動物組織細(xì)胞解離的技術(shù)難關(guān)，科研團(tuán)隊展開了持續(xù)半年的集中攻關(guān)。團(tuán)隊核心成員先后50余次在凌晨4點趕赴屠宰場采集組織樣本，最終攻克了所有119個目標(biāo)組織高細(xì)胞活性單細(xì)胞懸液制備的技術(shù)瓶頸?；诖?，團(tuán)隊成功實現(xiàn)了單個胎豬及其妊娠母豬全身115個和119個組織的同步采集、快速細(xì)胞解離和大規(guī)模單細(xì)胞數(shù)據(jù)整合等多個技術(shù)難點。結(jié)合獨特的實驗設(shè)計，項目進(jìn)一步系統(tǒng)解析了妊娠晚期母豬心臟功能適應(yīng)性變化，以及胎豬生長受限的關(guān)鍵細(xì)胞分子機(jī)制。

創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)：

一、闡明胎盤營養(yǎng)運輸不足導(dǎo)致胎兒生長受限的分子細(xì)胞新機(jī)制：

在我國規(guī)?；B(yǎng)豬生產(chǎn)中，胎兒生長受限（Fetal growth restriction, FGR）發(fā)生率為5-20%。以全國7億頭生豬養(yǎng)殖規(guī)模生長受限發(fā)生率的下限5%計算，我國養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)每年產(chǎn)生的生長受限個體數(shù)量至少3500萬頭。由于生長受限個體的料肉比通常比正常個體額外高0.15，且出欄晚10天左右，由此額外多消耗至少53.5萬噸糧食，相當(dāng)于390萬人口一年的口糧。生長受限個體生長發(fā)育遲緩、抗病能力不足，是仔豬斷奶前死亡（<1kg體重個體死亡率約40%）的最主要因素。生長受限個體的處理與管控也加大了養(yǎng)殖環(huán)保壓力，已成為制約我國生豬產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要瓶頸。同時，胎兒生長受限也是一種常見而且病因復(fù)雜的人類妊娠并發(fā)癥，發(fā)病率約為5-10%。在人類開展生長受限研究，因倫理限制以及遺傳、環(huán)境、年齡等多重因素干擾，機(jī)制解析存在巨大挑戰(zhàn)。

研究團(tuán)隊利用豬一胎多仔的生物學(xué)優(yōu)勢，對10頭大白母豬生產(chǎn)的132頭正常胎豬和19頭全同胞生長受限胎豬，系統(tǒng)開展了單細(xì)胞單核轉(zhuǎn)錄組、代謝組與表型組的深入研究。發(fā)現(xiàn)生長受限胎兒的尿囊絨毛膜10種主要細(xì)胞類型中，滋養(yǎng)層細(xì)胞中的中性氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白SLC1A5和SLC38A2顯著下調(diào)，導(dǎo)致胎兒血液循環(huán)中L-亮氨酸濃度降低。L-亮氨酸是一種必需氨基酸，是肌球蛋白與肌動蛋白的主要組成部分，對肌原纖維蛋白的合成至關(guān)重要。團(tuán)隊進(jìn)一步在生長受限胎兒背最長肌中發(fā)現(xiàn)，肌動蛋白ACTN3和肌球蛋白MYL1、MYO18B編碼基因的表達(dá)水平下調(diào)，導(dǎo)致需要高表達(dá)這些基因的II型肌纖維亞群（TypeIIC1）比例顯著下降，最終造成胎兒發(fā)育受阻，體重減輕。為驗證這一機(jī)制，項目組通過（1）人類肌源性祖細(xì)胞、（2）滋養(yǎng)層類器官、（3）肌肉類器官，以及（4）妊娠大鼠和（5）妊娠母豬的亮氨酸挽救實驗，多途徑、多物種證實了尿囊絨毛膜滋養(yǎng)層細(xì)胞中性氨基酸轉(zhuǎn)運受體轉(zhuǎn)運L-亮氨酸不足影響胎兒生長受限的分子細(xì)胞學(xué)機(jī)制。

該研究創(chuàng)新性地將母胎亮氨酸轉(zhuǎn)運障礙的關(guān)注點錨定到胎盤尿囊絨毛膜的滋養(yǎng)層細(xì)胞，揭示了L-亮氨酸通過調(diào)控核心肌動蛋白和肌球蛋白，影響胎兒肌肉中特定肌纖維亞型TypeIIC1的增殖分化，進(jìn)而導(dǎo)致胎兒生長受限的細(xì)胞分子新機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)不僅為通過豬遺傳改良及營養(yǎng)調(diào)控減少規(guī)?；i場胎兒生長受限發(fā)生率提供了寶貴信息，也為人類臨床干預(yù)胎兒生長受限提供了重要參考。

二、揭示母體妊娠期間心臟能量適應(yīng)的新機(jī)制：

妊娠期是影響母豬生產(chǎn)性能的關(guān)鍵階段，不僅關(guān)系到生產(chǎn)節(jié)律的穩(wěn)定、仔豬的持續(xù)供應(yīng)，也影響母豬的繁殖壽命。在這一階段，母體會發(fā)生劇烈但可逆的變化。以心臟為例，母體心臟在短時間內(nèi)必須經(jīng)歷多層次生理重塑：血液輸出量要增加30-50%、心臟發(fā)生生理性肥大、同時代謝和結(jié)構(gòu)全面調(diào)整。一旦這些適應(yīng)過程失衡，極易誘發(fā)代謝紊亂，心血管功能異常，并促進(jìn)心力衰竭的發(fā)生。有報道顯示，妊娠母豬死亡中約24%與圍產(chǎn)期心力衰竭相關(guān)。在人類中，約12%的孕產(chǎn)婦死亡與妊娠相關(guān)心臟異常有關(guān)。由于無法獲取健康孕婦孕期心臟樣本，心臟重塑的細(xì)胞與分子機(jī)制長期缺乏系統(tǒng)性解析。豬在孕期生理和心臟結(jié)構(gòu)方面與人類高度相似，是研究這一科學(xué)問題的理想模型。

本研究對妊娠前期、妊娠晚期和妊娠分娩后三階段的半同胞母豬心臟進(jìn)行單核轉(zhuǎn)錄組測序，系統(tǒng)分析了孕期心臟細(xì)胞與分子動態(tài)變化。發(fā)現(xiàn)心臟在孕期出現(xiàn)的“可逆性”肥大，由心肌細(xì)胞中一條重要的保護(hù)性分子通路——FOXO3–FBXO32通路維持。該通路能夠抑制誘發(fā)病理性肥大的鈣調(diào)蛋白信號，幫助心臟在孕期保持健康狀態(tài)。同時，妊娠期心臟的能量代謝方式也發(fā)生了重大的“切換”：妊娠期間，心肌細(xì)胞更多地利用脂肪酸作為能量來源。這一代謝重編程通過一種妊娠期顯著增加的特殊內(nèi)皮細(xì)胞類型（Cap2亞群）來實現(xiàn)。這種內(nèi)皮細(xì)胞亞群高表達(dá)LPL、FABP3等多種脂肪酸轉(zhuǎn)運基因，功能實驗進(jìn)一步證實其能顯著提升脂肪酸攝取能力，是心肌能量供應(yīng)改變的關(guān)鍵“門衛(wèi)”。

這些發(fā)現(xiàn)揭示了孕期心臟的細(xì)胞與分子適應(yīng)新機(jī)制，為促進(jìn)健康妊娠、增強心臟代償能力以及降低圍產(chǎn)期死亡風(fēng)險提供了重要理論依據(jù)。

三、構(gòu)建全球首個哺乳動物中覆蓋同一個體全部組織的單細(xì)胞單核轉(zhuǎn)錄組全景圖譜，系統(tǒng)鑒定不同組織及其細(xì)胞類型的特異轉(zhuǎn)錄因子：

為了實現(xiàn)“同一個體覆蓋全部組織的單細(xì)胞單核轉(zhuǎn)錄組圖譜”這一標(biāo)志性目標(biāo)，團(tuán)隊在單一妊娠母豬及其單個胎兒個體上，于16小時內(nèi)同步高效完成同一個體119個組織部位，母胎總計275個樣本的單細(xì)胞解離，成功構(gòu)建了目前國際上組織覆蓋度最全的哺乳動物單細(xì)胞單核圖譜，系統(tǒng)鑒定出全身所有組織890種細(xì)胞類型及其特異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子?；谶@一獨特的全組織單細(xì)胞單核轉(zhuǎn)錄組全景圖初步開展了以下三個應(yīng)用探索：

1.為研究轉(zhuǎn)錄因子的組織細(xì)胞類型表達(dá)模式提供全面高精度的“導(dǎo)航圖”：轉(zhuǎn)錄因子（TF）是調(diào)控細(xì)胞命運與功能的核心分子。盡管編碼轉(zhuǎn)錄因子的基因數(shù)量僅占全基因組基因總數(shù)約7.5%，其基因突變對表型的影響卻十分顯著。如影響豬重要經(jīng)濟(jì)性狀的大效應(yīng)基因：ESR1（影響每窩0.5-1.5產(chǎn)活仔數(shù)）、HMGA1（影響6厘米體長）、PLAG1（影響4公斤體重）和VRTN（影響一對排骨）均為轉(zhuǎn)錄因子；但其全面系統(tǒng)的分子細(xì)胞學(xué)作用機(jī)制至今仍然不清晰，解析這些機(jī)制首先需要了解它們分別會在什么組織，什么細(xì)胞類型中特異性表達(dá)。本研究采用的“All-from-one”實驗設(shè)計，使得研究團(tuán)隊能夠在同一個體的全身所有組織背景下鑒定出不同細(xì)胞類型特異性轉(zhuǎn)錄因子，排除了不同個體在遺傳、營養(yǎng)、環(huán)境、健康狀態(tài)差異帶來的干擾，從而能真實地反映健康生理條件下調(diào)控細(xì)胞身份與功能的轉(zhuǎn)錄因子。在所研究的1368個轉(zhuǎn)錄因子中，研究團(tuán)隊在胎豬和母豬中跨76種主要細(xì)胞大類分別鑒定出355個（占26%）和407個（占30%）細(xì)胞類型特異性表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子。其中，有132個轉(zhuǎn)錄因子在母豬和胎豬中均被檢測到，包括在肝細(xì)胞中特異表達(dá)的A1CF和ATF5，以及在脂肪細(xì)胞中特異表達(dá)的PPARG。為驗證該細(xì)胞類型特異性轉(zhuǎn)錄因子目錄的可靠性，項目組對一個新發(fā)現(xiàn)的小膠質(zhì)細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子IRX6，從多個維度進(jìn)行了驗證，包括同一個體28個不同大腦部位scRNA-seq、snATAC-seq、RNA原位雜交以及基因編輯豬模型，結(jié)果均支持本研究鑒定的轉(zhuǎn)錄因子具有高度的可靠性。

進(jìn)一步對重要經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)ESR1基因在垂體的促性腺激素細(xì)胞（Gonadotropin）中特異高表達(dá)，提示ESR1可能在該細(xì)胞類型中發(fā)揮調(diào)控產(chǎn)仔數(shù)的重要功能。PLAG1基因在肌纖維細(xì)胞中特異高表達(dá)，提示該基因可能通過調(diào)控肌纖維細(xì)胞增殖分化影響肌肉生長，進(jìn)而影響胴體重。相比較，HMGA1廣泛地在各種免疫，上皮細(xì)胞中表達(dá)，與其對多種性狀廣泛的調(diào)控功能一致。這些結(jié)果表明，本研究鑒定的組織與細(xì)胞類型特異性轉(zhuǎn)錄因子，有助于精準(zhǔn)揭示影響重要經(jīng)濟(jì)性狀的遺傳位點所對應(yīng)的特定組織和細(xì)胞類型，對深入解析經(jīng)濟(jì)性狀的分子調(diào)控機(jī)制并將其應(yīng)用于精準(zhǔn)分子設(shè)計育種具有重要意義。

2.為人類妊娠相關(guān)疾病藥物靶點篩選及潛在副作用評估提供參考：通過分析妊娠高血壓一線藥物16個受體基因在胎兒和妊娠母豬全身所有76種主要細(xì)胞類型中的表達(dá)譜，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，CACNA2D1、CACNB2和CACNA1D等藥物靶向受體基因在胎兒和妊娠母豬的多種細(xì)胞類型中廣泛高表達(dá)。相比之下，ADRA1B和ADRA1D僅在有限的細(xì)胞類型中表達(dá)，表明靶向后者的妊娠藥物可能帶來更少的副作用。

3.為同一細(xì)胞類型跨組織功能比較提供理想數(shù)據(jù)：在所有的組織中，研究團(tuán)隊都鑒定到了不等數(shù)量不同功能的內(nèi)皮細(xì)胞。盡管血管內(nèi)皮細(xì)胞的免疫和清道夫功能在100年前已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，但健康個體跨不同組織的內(nèi)皮細(xì)胞功能異質(zhì)性至今仍然沒有被闡明。本研究整合分析了來自全身345個樣本的超過29萬個內(nèi)皮細(xì)胞，鑒定出多達(dá)412種內(nèi)皮細(xì)胞亞型，并系統(tǒng)揭示了這些內(nèi)皮細(xì)胞亞型在胎兒及其懷孕母親不同器官、不同血管類型與不同發(fā)育階段中免疫和清道夫（Scavenger）功能的顯著異質(zhì)性。例如，主要組織相容性復(fù)合體（MHC）II類基因SLA-DRA，SLA-DRB1和SLA-DQB1在胎兒大腦內(nèi)皮中幾乎不表達(dá)，但是在胎兒外周組織以及成年所有組織中均廣泛表達(dá)，提示胎兒大腦內(nèi)皮尚未建立起SLA分子介導(dǎo)的免疫功能。這些分析揭示了腦組織與外周組織內(nèi)皮細(xì)胞在免疫及清道夫功能方面存在的顯著差異。為深入理解不同組織血管類型內(nèi)皮細(xì)胞的特異免疫調(diào)節(jié)機(jī)制提供了重要支撐，也為血管相關(guān)疾病的靶向研究與干預(yù)提供了科學(xué)依據(jù)。

四、跨物種保守性研究：夯實豬作為人類醫(yī)學(xué)模型的理論基礎(chǔ)：為系統(tǒng)評估豬不同組織細(xì)胞類型的轉(zhuǎn)錄組跨物種保守性，為其作為人類醫(yī)學(xué)模型提供理論參考，研究團(tuán)隊開展了大規(guī)模單細(xì)胞數(shù)據(jù)跨物種分析，整合了人類（23.3萬個細(xì)胞）、小鼠（8.5萬個細(xì)胞）和本研究構(gòu)建的豬（45.4萬個細(xì)胞）單細(xì)胞數(shù)據(jù)集。分析結(jié)果顯示，三個物種在免疫、上皮、內(nèi)皮、膠質(zhì)、神經(jīng)細(xì)胞等關(guān)鍵細(xì)胞類型的轉(zhuǎn)錄組特征、基因網(wǎng)絡(luò)以及轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)譜均呈現(xiàn)出高度保守性。針對本項目的主要創(chuàng)新點進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)人類心臟中也存在與豬Cap2高度相似的內(nèi)皮細(xì)胞亞群，并同樣高表達(dá)LPL和FABP3等脂肪酸轉(zhuǎn)運基因；人類胎盤滋養(yǎng)層細(xì)胞與豬對應(yīng)細(xì)胞類型在轉(zhuǎn)錄組特征上高度相似，同樣高表達(dá)SLC1A5和SLC38A2基因；此外，人類胎兒肌肉組織中也存在與豬TypeIIC1肌纖維相對應(yīng)的亞群，與豬類似，該亞群也高表達(dá)ACTN3基因。本研究在單細(xì)胞分辨率下系統(tǒng)揭示了豬與人類在多種關(guān)鍵細(xì)胞類型中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控保守性，為闡明哺乳動物細(xì)胞類型的進(jìn)化穩(wěn)定性提供了重要證據(jù)。上述發(fā)現(xiàn)不僅深化了對跨物種細(xì)胞分子特征保守性的認(rèn)識，也進(jìn)一步強化了豬作為人類生理與疾病研究重要模式動物的理論依據(jù)。