鸡胚胎垂体单细胞转录组图谱揭示新型促生长-促肾上腺皮质激素细胞及其发育意义

本研究通过单细胞RNA测序技术解析鸡胚胎垂体细胞的转录组特征，发现一类同时表达生长激素(Gh)和促黑皮素原(Pomc)的新型"皮质-生长激素细胞"(cortico-somatotrophs)。该研究挑战了传统垂体细胞谱系分化学说，为脊椎动物垂体发育机制提供了新见解。

在脊椎动物内分泌系统中，垂体作为"主控腺体"，通过分泌多种激素调节生长发育、代谢平衡和应激反应等关键生理过程。传统观点认为，垂体前叶的五种主要内分泌细胞类型——促肾上腺皮质激素细胞( corticotrophs)、生长激素细胞(somatotrophs)、促乳素细胞(lactotrophs)、促甲状腺激素细胞(thyrotrophs)和促性腺激素细胞(gonadotrophs)分别来自不同的发育谱系。特别是促肾上腺皮质激素细胞和生长激素细胞，一直被认为具有独立的发育路径。然而，这种谱系分化的精确机制，尤其是在胚胎发育早期，仍然存在许多未解之谜。

鸡胚胎作为发育生物学研究的经典模型，其垂体发育过程与哺乳动物具有高度保守性，但针对其胚胎期垂体细胞转录组特征的研究尚属空白。美国马里兰大学的Kuan Ling Liu和Tom E. Porter研究团队在《Endocrinology》上发表的最新研究，通过单细胞RNA测序(scRNAseq)技术，首次绘制了鸡胚胎第11天垂体细胞的转录组图谱，意外发现了一类同时表达生长激素(Gh)和促黑皮素原(Pomc)的新型细胞群体，并将其命名为"皮质-生长激素细胞"(cortico-somatotrophs)。这一发现对传统垂体细胞谱系分化学说提出了挑战。

研究人员主要运用了单细胞RNA测序、RNA荧光原位杂交(HCR^TMRNA-FISH)和双标记免疫荧光等关键技术。实验使用罗斯308鸡种胚胎第11天的垂体细胞，设置了基础组和皮质酮(CORT)处理组，通过10x Genomics平台进行单细胞转录组测序，并使用Seurat软件包进行细胞聚类分析。

研究首先通过scRNAseq在4,346个基础组和10,835个CORT处理组垂体细胞中鉴定出12个细胞簇，包括四种经典内分泌细胞类型：生长激素细胞(Gh⁺)、促肾上腺皮质激素细胞(Pomc⁺)、促性腺激素细胞(Fshb⁺)和促甲状腺激素细胞(Tshb⁺)。研究人员还发现了一个特殊的"未成熟模糊细胞簇"，其中约30%的细胞同时表达Gh和Pomc mRNA，即皮质-生长激素细胞。

对生长激素细胞的深入分析揭示了其内在异质性。在基础条件下，约50%的生长激素细胞仅表达Pou1f1(垂体特异性转录因子1)，而约40%同时表达Pou1f1和Ghrhr(生长激素释放激素受体)。CORT处理后，共表达Pou1f1和Ghrhr的生长激素细胞群体减少了约50%。研究人员还发现生长激素细胞在Gh mRNA表达水平上存在明显差异，基础组呈现线性递减趋势，而CORT处理组则呈现多项式递增趋势。

通过分析皮质-生长激素细胞的基因表达特征，研究人员发现这些细胞同时具有促肾上腺皮质激素细胞和生长激素细胞的分子标记。它们不仅表达Pomc和Gh，还共享促肾上腺皮质激素细胞的标志基因Pcsk1(前蛋白转化酶枯草溶菌素1型)和生长激素细胞的标志基因Ghrhr、Enpp2(外核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶2)。更重要的是，皮质-生长激素细胞表达了两种细胞特征性的受体基因：促肾上腺皮质激素释放激素受体1(Crh-r1)和Ghrhr，表明它们可能同时对CRH和GHRH信号产生响应。

转录因子表达分析显示，皮质-生长激素细胞同时表达了促肾上腺皮质激素细胞分化相关的Neurod1(神经源性分化因子1)、Tbx19(T-box转录因子19)和生长激素细胞分化相关的Foxo1(叉头框蛋白O1)、Pou1f1。这种转录因子的共享表达模式提示皮质-生长激素细胞可能作为这两种细胞类型的共同前体细胞。

为了验证scRNAseq的发现，研究人员通过RNA-FISH和双标记免疫荧光技术在蛋白质水平证实了皮质-生长激素细胞的存在。RNA-FISH结果显示，在基础条件下，皮质-生长激素细胞占总细胞群体的1.57%，而双标记免疫荧光检测到的比例为4.89%。CORT处理后，生长激素细胞群体显著增加，但皮质-生长激素细胞的比例保持稳定。

研究还发现CORT处理对不同类型的激素产生细胞产生了差异化影响。在促肾上腺皮质激素细胞中，Cacna2d1(钙电压门控通道辅助亚基α2δ1)和Hnrnpr(异质核核糖核蛋白R)表达上调；在生长激素细胞中，Npy(神经肽Y)和Nsg1(神经元囊泡运输相关蛋白1)表达上调。值得注意的是，CORT处理导致促肾上腺皮质激素细胞和皮质-生长激素细胞中Pomc表达水平下降，而生长激素细胞和皮质-生长激素细胞中Gh表达水平上升，表明皮质-生长激素细胞对CORT的反应模式与两种成熟细胞类型相似。

这项研究的结论部分指出，皮质-生长激素细胞的发现对传统垂体细胞谱系分化学说提出了重要挑战。研究结果表明，促肾上腺皮质激素细胞和生长激素细胞的发育路径可能不是完全独立的，而是存在共享的中间过渡状态。皮质-生长激素细胞作为同时具有两种细胞特征的杂交细胞类型，不仅扩展了我们对垂体细胞可塑性的认识，也为理解垂体发育和功能调控提供了新的视角。

该研究的讨论部分进一步强调，虽然研究结论基于体外培养的垂体细胞，但建立的实验系统能够很好地模拟体内情况，特别是CORT诱导的生长激素细胞分化过程与已知的体内现象高度一致。皮质-生长激素细胞的功能意义可能在于为垂体提供了一种快速适应内分泌环境变化的机制，通过细胞可塑性来调节不同激素分泌细胞的比例平衡。

这项研究通过高分辨率的单细胞转录组分析，首次在脊椎动物胚胎垂体中发现并证实了皮质-生长激素细胞的存在，为垂体发育生物学领域提供了重要的基础数据和新颖的研究视角。未来研究将进一步探索这类细胞在垂体生理和病理过程中的具体功能，以及它们在垂体疾病发生发展中的潜在作用。