巨噬细胞对肝脏代谢分区的调控研究

The mammalian liver consists of hexagon-shaped lobules, key liver genes have been shown to be differentially expressed along the lobule axis, a phenomenon termed liver metabolic zonation. This spatial division of labour is thought to confer optimality for liver function. However, mechanisms underlying liver zonation are not completely elucidated. As an important cell type constituting tissue integrity, tissue-resident macrophages have been found in recent years not only function as immune cells, but are tightly associated with normal tissue physiology. With the deepening understanding of tissue-resident macrophages, it has been found that they are highly heterogeneous not only between different tissues, but also within the same tissue. However, it is unclear how liver-resident macrophages (Kupffer cells) assist liver metabolic function. Our previous results suggest that Kupffer cells are spatially heterogeneous, and the in vivo depletion of Kupffer cells affects the expression levels of several zonated metabolic enzymes in hepatocytes. This project aims to introduce the spatial map of Kupffer cells through transcriptome sequencing and proteomic techniques, and to reveal the contribution of Kupffer cells to the formation of liver metabolic zonation.

哺乳动物肝脏具有代谢分区现象，即位于肝小叶不同径向层的肝实质细胞代谢功能存在特化。肝实质细胞的代谢分区为肝脏功能的执行提供了最优模式，然而目前我们对肝脏代谢分区的形成机制的认识还很不完善。组织定居巨噬细胞作为构成组织完整性的重要细胞类型，近年来被发现不仅具有经典的免疫功能，还能够辅助所定居组织首要生理功能的执行。随着对组织定居巨噬细胞认识的深入，人们发现其不仅在不同组织间存在高度异质性，在同一组织器官内也存在高度异质性。然而目前我们对肝脏定居巨噬细胞（Kupffer细胞）如何辅助肝脏代谢功能还很不清楚。我们的前期研究结果提示Kupffer细胞存在空间异质性，且其体内缺失影响肝实质细胞中分区代谢酶的表达水平。本项目旨在借助转录组测序和蛋白质组技术绘制Kupffer细胞的空间图谱，并揭示Kupffer细胞对肝脏代谢分区形成的贡献。

哺乳动物肝脏具有代谢分区现象，即位于肝小叶不同径向的肝实质细胞代谢功能存在特化。肝实质细胞（Hepatocytes，HCs）的代谢分区为肝脏功能的执行和稳态的维持提供了最优模式，然而目前我们对肝脏代谢分区的形成机制的认识还很不完善。组织定居巨噬细胞作为构成组织完整性的重要细胞类型，近年来被发现不仅具有经典的免疫功能，还能够辅助所定居组织生理功能的执行。然而我们对肝脏定居巨噬细胞（Kupffer cells，KCs）如何辅助肝脏代谢分区和稳态形成还不清楚。为了回答这一问题，我们首先针对小鼠肝脏单细胞转录组数据聚类注释得到的肝脏中央静脉（Central Vein, CV）区和门静脉（Portal Vein, PV）区的KCs和HCs，利用差分NicheNet进行KC-HC互作分析，结果提示CV区KCs通过调控HCs的脂合成和氧化影响HCs的脂代谢分区和稳态。为了进一步验证CV区HCs脂代谢分区特征，我们一方面通过区域灌注成功获得了CV区和PV区的HCs，Q-PCR验证了CV区HCs高表达脂合成相关基因；另一方面通过原位染色证明CV区HCs有更多的脂滴积累。对于CV区HCs脂合成代谢分区特征的形成原因，我们通过体外构建低氧培养模型发现CV区HCs所处的低氧环境可能诱导其脂合成代谢增强和脂质积累，这一结果一定程度上解释了为什么脂肪肝常起始于CV区HCs。为了明确KCs对CV区HCs脂代谢的调控作用，我们对CCR2敲除小鼠进行了脂质体注射和KCs清除，发现肝脏定居的KCs，而非单核衍生的巨噬细胞抑制CV区HCs的脂合成和累积。同时，我们构建了体外“KC-HC间接共培养”体系，发现KC条件培养基抑制HCs脂合成基因表达。以上数据表明KCs抑制低氧诱导的HCs脂合成和积累，维持脂代谢的生理稳态。为了进一步揭示其中的分子机制，我们对比了区域灌注分离得到的CV/PV区KCs的转录组和蛋白质组，发现CV区KCs特异性表达Alox15，且利用体外低氧培养体系证明低氧条件上调KCs中Alox15的表达。综上，我们的数据表明CV区KCs通过抑制CV区低氧环境诱导的HCs过度脂合成和累积，调控肝脏脂代谢分区和稳态。我们的发现补充了对组织定居巨噬细胞生物学的认识，同时对脂肪肝等脂质代谢紊乱提供了新的预防和治疗思路。