研究人员对整个小鼠肠道进行了全面的检查，绘制了基因表达，以及细胞在健康肠道与面临炎症等干扰时的状态和位置。他们发现不同器官部分的各种细胞类型及其状态受到严格调控，包括一个受免疫信号影响的独特结肠部分。这些结果展示了肠道在面对干扰时出色的适应和恢复能力，强调了理解细胞过程是如何被调控及其在不同组织或器官区域之间的差异的必要性。
肠道在身体中发挥着至关重要的作用，通过吸收营养和水分，同时与肠道微生物组保持健康的关系。然而，这种平衡在乳糜泻、溃疡性结肠炎或克罗恩病等情况下可能会受到干扰。科学家尚未完全理解肠道的各个部分如何抵抗或适应环境变化，以及这些疾病中干扰的机制。
现在，麻省理工学院和哈佛大学的Broad Institute以及麻萨诸塞州总医院的一个团队绘制了整个小鼠肠道的图谱，详细描述了基因表达和健康组织及受炎症等干扰影响的组织中的细胞类型和位置。他们的分析揭示了不同器官区域中细胞类型之间一个严格调控的环境，并确定了一个由免疫信号控制的特定结肠段。他们的研究成果发表在Nature上，揭示了肠道适应和恢复干扰的惊人能力，并强调了理解细胞过程如何被调控和在组织或器官的不同区域之间变化的重要性。
“尽管肠道，特别是结肠，已经被研究多年，但从未以这种方式进行表征，这促使人们重新评估许多以前的研究，并为未来的研究开辟了新途径。”论文的共同第一作者之一Toufic Mayassi说道，他和Chenhao Li一起工作。他们都是Ramnik Xavier实验室的博士后研究员，西维尔是Broad Institute的核心成员，并且是麻萨诸塞州总医院计算与综合生物学中心的成员，担任本研究的资深作者。
“这项研究强调了考虑一个器官主导空间动态的必要性，我们希望我们的研究为早期和未来的发现提供背景。”Mayassi补充道。
Xavier主管Broad的免疫学程序，并担任多个重要职务，包括哈佛医学院Kurt J. Isselbacher医学教授、计算与综合生物学中心主任以及麻省理工学院微生物组信息学和治疗中心的共同主任。
“我们创建了整个肠道的全面蓝图，这是一个重要的里程碑。”Xavier说道。“这使我们能够研究整个器官，分析与饮食、微生物群和胃肠疾病相关的遗传变化和免疫反应的影响，并设计各种新的实验。”
肠道绘图
许多早期的肠道研究集中于实验室环境中生长的单个细胞或细胞簇。虽然这些方法提供了一个受控环境，以检查与疾病相关的特定基因变化的功能，但它们并不能揭示不同区域的完整器官中的细胞在疾病背景下是如何相互作用的。
在2021年，Mayassi与计算生物学家Li合作，利用空间转录组学和计算技术创建了一幅整个小鼠小肠和结肠基因表达的详细图谱。
令他们惊讶的是，肠道的空间排列——各种细胞类型的位置及其表达的基因——即使在某些因素发生变化时依然保持相对稳定。这种稳定性在有无肠道微生物的老鼠和在不同时间收集的组织中得以观察，表明微生物组和昼夜节律对空间结构并未显著改变。
肠道还表现出韧性。在用已知会引发炎症的物质处理动物后，研究人员注意到基因表达和细胞的空间布局发生了变化，但他们观察到在一个月后恢复到了正常状态，三个月后几乎完全恢复。这些观察表明，肠道恢复炎症变化的能力可能对其健康和功能至关重要。
“作为一名计算生物学家，能够参与这样一个独特数据集的生成和探索，令人激动。”Li表示。“这项研究为开发分析空间数据的工具提供了机会，并影响了未来对小肠和大肠研究的设计。”
免疫控制
虽然肠道在许多影响下保持稳定，但器官内某些独特的小环境受到肠道微生物群的影响并展现出适应迹象。具有典型微生物群的老鼠在特定的结肠区域中表达特定基因，而无菌小鼠则没有。通过单细胞RNA测序，研究人员发现这些变化发生在三种结构性细胞类型中，尤其是在杯状细胞——这种分泌粘液的细胞只有在ILC2s（免疫细胞的一种）存在下才会表达那些基因。
接下来，研究团队计划利用他们的方法调查性别、饮食、食物过敏和遗传易感性等不同因素如何影响肠道的空间结构，尤其是与炎症性肠病相关的因素。他们还希望澄清小鼠的发现如何与人类肠道的空间调控相关。
