影响因子：7.4
研究概述：急性胰腺炎（AP）是临床上常见的急腹症，其发病机制至今仍不清楚。重症患者通常伴有多种并发症，且缺乏特效药物，死亡率高，预后差。本研究利用单细胞测序数据集来识别AP小鼠胰腺中的细胞类型，并描绘出尖状细胞的转录组图谱。通过基因组富集分析（GSEA）和单细胞基因组变异分析（GSVA）评估了通路的活性。拟时序分析用于描述尖腺细胞的发育轨迹。作者还构建了PPI网络，确定了枢纽基因。作者还分析了AP小鼠胰腺样本的另一个独立单细胞测序数据集和AP患者外周血样本的大量RNA测序数据集，在单细胞水平破译了AP早期阶段腺泡细胞的独特发育路线图。
研究结果：
胰腺组织单细胞转录谱分析概述
经过初步质控后，作者获得了GSE181276的15819个细胞的单细胞转录数据，其中包括野生型（WT，未处理/对照）组小鼠胰腺组织的5732个细胞和CER诱导AP组小鼠胰腺组织的10087个细胞。根据基因图谱和典型标记，作者将这些细胞分为12个细胞群，如腺泡细胞、导管细胞、星状细胞、内皮细胞和内分泌细胞；这些细胞群用UMAP图显示（图1A）。点阵图显示了每个细胞簇的标记基因（图1B）。如图1C所示，AP样本中腺泡细胞的比例低于WT样本，这可能与程序性细胞死亡有关。GSEA结果显示，“泛素蛋白转移酶活性调控”、“伴侣介导的蛋白质折叠”、“mTOR信号通路”和“糖酵解葡萄糖生成”等通路被显著激活（图1D）。研究表明，mTOR信号转导与AP中腺泡细胞向树突状细胞的转变以及CD4+T细胞免疫反应有关。
scRNA-seq分析揭示了腺泡细胞转录程序的改变
人们已认识到，AP的发病部位在腺泡细胞。因此，这些细胞被进一步提取并分为四个亚群（图2A）。WT样本中的大多数细胞高表达Pida2，而AP样本中的大多数细胞属于以下其他三个亚群：高Prss1、高Map1lc3a和低Sox4，以及高Map1lc3a和高Sox4（图2A）。散点图显示了AP样本和WT样本中DEGs的相对转录水平，并标出了前10个上调和下调基因（图2B）。GSEA显示，这些DEGs主要富集在涉及溶酶体、自噬、ROS、内吞和细胞凋亡的通路中（图2C）。
根据单细胞GSVA评分，在高Map1lc3a和低Sox4群组以及高Map1lc3a和高Sox4群组中，包括细胞凋亡、对ROS的反应、NOD样受体、抗原加工和表达以及糖酵解葡萄糖生成等通路的活性显著增加（图2D）。作者使用monocle3进行了拟时序轨迹分析，以WT瘦腺细胞预设为起点。高Map1lc3a和高Sox4群分布在分化轨迹的晚期（图2E）。热图显示了编码转录因子的DEGs的伪时间变化（图2F）。作者进一步确定了这些转录因子的结合基序，并构建了一个表达调控网络（图2G）。在这一部分中，作者确定了AP中渐冻疮细胞的亚群和激活途径。作者还预测了关键转录因子和调控网络。
AP中的腺泡至导管增生（ADM）
胰腺细胞在一定程度上具有可塑性，在炎症或损伤后可迅速发生转分化过程。如图所示，在AP样本中，除胰蛋白酶原Prss1和Prss3外，大多数编码胰腺消化酶和酶原颗粒膜成分的基因表达下调（图3A）。与此同时，Muc1、Cldn3、Cldn7、Epcam、Krt8、Krt18和Krt19等导管标志物的转录则显著增加（图3B）。分析发现丝氨酸蛋白酶抑制剂的变化似乎取决于它们的亚细胞位置。分泌到腺泡细胞外的成员（Serpini2）的表达下调，位于细胞质或内质网腔的其他成员，如Serpinb1a、Serpinb6a、Serpinb6b和Serpinh1的表达则上调（图3A）。这可能表明，由于细胞内胰蛋白酶原的激活，胰腺因自我消化而受到损伤。此外，参与细胞增殖和分化的再生家族成员也有所增加（图3C）。腺泡标志物的消失和导管标志物的增加揭示了AP中腺泡细胞的ADM过程。
AP中的内吞和内体再循环活性升高
胰腺外分泌的关键功能是通过外吞作用分泌消化酶。与此同时，胰腺细胞也进行内吞和内体循环。作者发现，在AP中，内吞和囊泡运输标记物（Rab2a、Rab7、Rab11a、Rab25、Clta、Ap1s1、Atp6v1g1、Atp6v0e）的表达增加，多囊泡体成分（Cd63、Chmp2a、Chmp4b、Mvb12a）和内体再循环中转站的表达也增加了（图4A）。还观察到内吞作用所必需的细胞骨架相关基因（Actg1、Actb、Cdc42、Cfl1）的转录增加（图4B）。此外，“内吞”和“跨上皮转运”途径的活性也显著升高，尤其是在高Map1lc3a和低Sox4以及高Map1lc3a和高Sox4簇中（图4C、D）。
AP腺细胞中的内质网应激（ERS）明显增加
内质网（ER）是蛋白质和脂质加工的细胞内工厂。在AP中，多个参与二硫键形成的基因（Pdia2、P4hb、Erp27、Ero1lb）表达明显下调，而这些基因有助于蛋白质形成正确的空间构象（图5A）。这种下调可能导致错误折叠/未折叠蛋白质和ERS的积累（图5G）。相关基因（Bcap31、Derl1、Ufd1、Stub1）转录的增加反映了腺泡细胞中的ERS（图5B）。作者还发现，ERS的关键标记物，包括Xbp1、Serp1、Eif2s1、Ddit3、Atf4（图5C）和各种分子伴侣（图5D）的表达显著上调。此外，AP组错误折叠/未折叠蛋白结合途径的GSVA评分更高（图5E，F）。这些结果表明，在AP期间，胰腺细胞中的ERS增加。
AP组腺泡细胞中的泛素-蛋白酶体途径被激活
泛素-蛋白酶体系统可以降解ER中折叠/未折叠的错误蛋白质；该系统也被称为内质网相关降解I途径（ERAD-I）。单细胞数据显示，在AP样本的腺泡细胞中，泛素（Ubb、Ubc）和相关酶（Ube2d3、Ube2l3、Stub1、Uchl3）的转录水平升高（图6A）。同时，蛋白酶体亚基和促进蛋白酶体组装和成熟的Pomp的表达上调（图6B）。泛素-蛋白酶体系统还负责内源性抗原的加工，加工后的抗原肽需要在蛋白TAP（与抗原加工相关的转运体）的帮助下穿过ER膜，然后与MHCI类分子结合。TAP结合蛋白（由Tapbp编码）介导新组装的MHCI类分子与TAP之间的相互作用。作者还发现MHCI类分子和Tapbp的转录明显增加（图6C）。此外，单细胞GSVA的结果（图6D-F）也表明泛素蛋白酶体途径被激活。
AP组腺泡细胞中的自噬-溶酶体途径相关蛋白的转录增加
自噬-溶酶体系统是EARD-II的另一个途径，用于降解ER中折叠/未折叠的错误蛋白质。自噬相关基因（Sqstm1、Map1lc3a、Map1lc3b、Gabarap、Gabarapl2、Tex264、Stbd1）的转录在AP组中有所增加（图7A）。值得注意的是，Tex264被鉴定为ER-吞噬的主要受体，可将ER的亚域重塑为自噬体，这被认为对缓解ERS很重要。Tex264在AP中的作用尚未见报道。同时，溶酶体膜成分（图7B）和溶酶体酶（图7C）的表达上调。此外，根据GSVA还检测到自噬和溶酶体相关通路的活性增加（图7D-G）。自噬-溶酶体通路可能在AP的发病机制中扮演重要角色。
胰腺scRNA-seq数据集和bulk RNA-seq数据集的整合分析
作者分析了另一个来自GSE188819的小鼠胰腺样本scRNA-seq数据集和一个来自GSE194331的人类外周血样本批量RNA-seq数据集。来自GSE181276和GSE188819的胰腺细胞的常见DEGs（图8A）主要富集在自噬、溶酶体、蛋白酶体、ERS和内吞等通路中（图8B）。此外，Cytoscape还生成了PPI网络，最大剪辑中心性（MCC）指数最高的18个基因被确定为中心基因，并用红点标出（图8C）。有趣的是，这些中心基因都编码蛋白酶体的成分。作者还分析了GSE194331中32名健康志愿者和10名SAP患者的外周血样本。GSE181276和GSE194331的共同DEGs（图8D）同样富集在涉及内吞、蛋白酶体、溶酶体、自噬和细胞凋亡的通路中（图8E、F）。这些结果与基于GSE181276数据集的发现一致，突出了ERS、泛素-蛋白酶体途径和自噬-溶酶体途径在AP中的重要性。
研究总结：
作者确定了AP小鼠胰腺中的细胞类型，并通过单细胞转录组分析方法分析了腺泡细胞的转录变化。作者证明了AP早期胰腺细胞的特征，包括ADM、内吞和跨上皮转运增加、ERS、泛素-蛋白酶体和自噬-溶酶体途径的激活，其中ERS可能起着核心作用（图9）。这将为开发临床干预和治疗方法提供新的思路和策略。
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