动物模型已广泛应用于了解人类生理和病理过程和临床前药物评价中。由于不同物种间解剖形态、消化功能和参与药物代谢和运输的基因表达存在差异，将动物模型中的药物疗效和毒性反应的研究结果直接转化至人体还存在局限性。全面了解不同物种解剖形态和药物吸收是药物开发中正确选择动物模型的关键。
单细胞mRNA测序技术（scRNA-seq）提供了单细胞水平的转录组研究，大大提高了对由多种细胞组成的器官或组织的研究“像素“，帮助我们更好地了解器官或组织中的不同细胞类型、信号模式和发育过程等。
小肠具有营养吸收、激素分泌和抵抗微生物入侵等一系列功能，其结构在哺乳动物中高度保守，尽管已有关于小鼠和人类肠道上皮细胞类型的研究报道，但在单细胞水平对肠道的跨物种分析了解较少。
2022年5月5日, 清华大学陈晔光教授在Cell Regeneration上发表了题为：Cross-species single-cell transcriptomic analysis reveals divergence of cell composition and functions in mammalian ileum epithelium的文章，通过跨物种单细胞转录组分析，揭示了哺乳动物回肠上皮细胞组成和功能的差异。
跨物种回肠上皮单细胞转录组图谱的生成。为了确定不同物种间的肠道保守性，研究人员收集了小鼠、大鼠、猪、猕猴和人类的回肠组织。随后进行了scRNA-seq分析。根据相似标记基因的表达分别分析，大多数细胞类型也在人类、猕猴、猪、大鼠和小鼠回肠中发现。有趣的是，研究人员发现了一个以CA7(碳酸酐酶7)和OTOP2为标记的新细胞群，在人类、猕猴及猪中，CA7+细胞含量在1%-3%之间，其很可能参与调节离子转运、补体激活等生物过程，具体功能还需进一步探索。在小鼠和大鼠回肠中CA7+细胞则很少存在。
跨物种的保守细胞类型和功能。为了探讨不同物种间细胞类型的相似性，研究中采用主成分分析(PCA)和各细胞类型相关性分析。PCA结果显示，除大鼠外，各物种的细胞类型紧密聚类，种间差异大于种内差异。猕猴是离人类最近的动物，而啮齿动物离人类较远，体现了种族的进化关系。每个细胞类型的相关分析表明,肠上皮细胞,TA细胞,杯状细胞,干细胞和高脚杯祖在人类和其他物种之间高度保守。探究人员进一步探讨了物种间基因功能的保守性。根据基因表达模式，确定了7个模块，包括广泛表达于所有物种的保守模块(C1)和物种特异性模块(C2-C7)。功能富集分析显示，在所有物种中，与解剖结构大小、氨基酸转运、碳水化合物代谢过程和肠道吸收调控相关的基因均具有保守性(C1)。此外，每个物种都有其独特的功能。
不同种间EECs和Paneth细胞的不同基因表达模式。肠内分泌细胞（EECs）是肠内生产激素的细胞，它感知营养物质并在调节食欲、食物消化和吸收方面发挥关键作用。对人类和其他物种进行两两比较，发现EECs中存在大量差异表达基因。参与蛋白水解和肽激素反应的基因在猕猴EECs中表达，而与碳水化合物代谢和病毒防御相关的基因在猪EECs中富集。通过对Paneth细胞相关基因的检测发现， Paneth细胞只在人类和小鼠回肠中发现，而在猕猴、猪和大鼠中没有发现。功能富集分析显示，人类Paneth细胞中表达了涉及脂质运输、补体激活和先天免疫应答的基因，表明人类Paneth细胞可能具有较好的抗微生物功能。而在小鼠Paneth细胞中，则发现了与内质网应激、金属离子反应、溶酶体和膜蛋白水解相关的基因。
不同物种间小肠干细胞基因表达的共性与特性。小肠干细胞（ISCs）负责维持小肠稳态与再生。在本文中，研究者揭示了不同物种ISCs的标记基因，并分析了哪些属于物种间保守的ISCs标记基因，哪些属于物种特异性ISCs标记基因。有趣的是，被广泛认可的ISCs标记基因LGR5在大鼠及猕猴中很难检测到，为研究不同物种的ISCs提供了有价值的信息。
不同物种间药物吸收的差异。肠细胞大量表达转运蛋白和代谢酶，是负责药代动力学功能的主要细胞类型。参与蛋白质消化吸收和碳水化合物运输的基因在所有5个物种中都有表达。参与单羧酸代谢和药物代谢的基因在人类中高度表达，与酒精代谢相关的基因和脂质运输相关基因在猕猴中高度表达，核酸运输、金属离子运输和有机酸运输的基因则分别在猪，大鼠和小鼠中高表达。研究人员针对各个物种进一步建立了功能性回肠类器官，研究其在药物吸收与运输方面的表现。
综上所述，本文提供了小鼠、大鼠、猪、猕猴和人类回肠的单细胞转录组图谱，分析了物种间共性和特性的细胞类型和基因表达，在猪、猕猴和人类回肠中鉴定了一个新的CA7+细胞类型。此外，该研究揭示了不同物种对药物吸收的差异。这些数据为疾病研究和药物开发的动物模型选择提供了有价值的指导。
文章来源：Li, H., Wang, X., Wang, Y. et al. Cross-species single-cell transcriptomic analysis reveals divergence of cell composition and functions in mammalian ileum epithelium. Cell Regen 11, 19 (2022). https://doi.org/10.1186/s13619-022-00118-7
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