2025年1月17日，
Nature Communications
在线发表了
辽宁师范大学
逄越教授
团队
和
青岛华大基因研究院
合作题为“Single-cell transcriptome atlas of lamprey exploring Natterin- induced white adipose tissue browning”的研究论文。
作为现存无颌类脊椎动物的代表，七鳃鳗在系统发育上处于无脊椎和脊椎动物的节点，其历经5亿年的漫长演化仍旧保持与远古时期相类似的形态特征。这种独特的遗传和生理学特征对揭示生命树发育与演化规律方面上具有重要的科学价值。七鳃鳗的多器官细胞学研究不仅为推动进化发育生物学的突破性进展提供了新视角，也为理解脊椎动物的进化过程发挥了重要作用。
1.雷氏七鳃鳗（
Lethenteron reissneri
）14种组织单细胞转录组图谱
本研究构建了幼体雷氏七鳃鳗的脑、心脏和肝脏等14种组织的单细胞转录组图谱，覆盖604,460个细胞和细胞核，识别出包括上皮细胞、内皮细胞、间充质细胞、VLR细胞（免疫细胞）和粒细胞在内的70种细胞类型（图1），其中48种细胞具有组织特异性，这使得进一步分析七鳃鳗的组织细胞学特征和全面的脊椎动物细胞演化研究成为了可能。
图1 雷氏七鳃鳗的全组织单细胞图谱。
a 样品的数量和文库的重复显示，每个组织用不同的颜色表示，并对每个组织进行了三次生物复制；b UMAP可视化显示单细胞图谱的全局聚类，颜色代表14种不同的组织；
c 条形图表示每个组织的细胞数量（N =细胞）；
d 单细胞图谱的细胞类型UMAP可视化（内）和显示每种细胞类型的细胞数量的条形图（外）。
2. 跨物种比较追踪脊椎动物原始胰腺细胞的演化轨迹
通过脊椎动物谱系的跨物种细胞进化分析发现，七鳃鳗的大多数细胞类型与有颌类脊椎动物的细胞具有高度同源性，这一结果进一步阐明了脊椎动物早期祖先的原始细胞特征及其保守性。更令人惊叹的是，尽管七鳃鳗并不具备典型的胰腺器官，研究却发现了与脊椎动物腺泡和胰岛相似的细胞群。这些细胞群主要分布在肠道前端区，包含92个胰岛样细胞（表达Ins、Cpe、Epas1）和689个腺泡样细胞（表达Ctrb1、Cel）（图2），这表明七鳃鳗可能通过肠道前端承担部分胰腺功能。这些发现首次提供了七鳃鳗可能具备胰腺功能的证据，进一步丰富了对脊椎动物胰腺起源与演化的理解。
图2 七鳃鳗胰腺细胞的鉴定及跨物种比较分析。
a 七鳃鳗、小鼠和人类主要免疫组织（肠、肝和胰腺）细胞的UMAP可视化（右侧：UMAP可视化七鳃鳗、小鼠和人类的胰腺相关基因集得分，在七鳃鳗肠道、小鼠胰腺和人类胰腺中观察到高分）；
b 胰腺相关标记基因在七鳃鳗胰腺样细胞中的表达（点的大小表示每个簇中表达基因的细胞比例，并显示了标记表达的强度）；c七鳃鳗胰腺样细胞中与胰腺相关的基因集得分；d 前肠褶皱胰腺细胞簇中胰岛素表达的免疫组织化学检测(左)；七鳃鳗肠食管交界处横断面的腺泡细胞的标志物 (
Cel
) 原位杂交检测 (右)。
3. 七鳃鳗特有的VLR细胞与脊椎动物免疫细胞演化
七鳃鳗独特的VLR（可变淋巴细胞受体）介导的适应性免疫系统的出现对于脊椎动物免疫系统演化具有重要的参考意义。研究团队进一步生成包含VLRA/C细胞、VLRB细胞、单核细胞、粒细胞和pDC细胞等免疫细胞库，并对其开展基于细胞类型和组织起源的聚类分析，确定其保守性和多样性。随后将七鳃鳗免疫细胞库与小鼠免疫细胞进行同源性分析发现VLR细胞是七鳃鳗所特有的类群；而同源基因Syk、Map3k1和Pik3cd在七鳃鳗VLR细胞和小鼠T/B细胞之间是共享的（图3）。此外，它们的平均表达水平表现出与VLR或T/B细胞相似的模式，与其他免疫细胞类型相似。本研究从全组织细胞水平上阐明了七鳃鳗VLRA/C细胞和VLRB细胞分别对应脊椎动物的T细胞和B细胞。此外，VLRB阳性细胞同时表达csf1r22等巨噬细胞相关基因，而免疫荧光共定位研究进一步证实了这一点，这表明VLRB细胞可能与脊椎动物巨噬细胞具有相似的细胞演化轨迹和生理功能。这些发现为了解七鳃鳗的免疫细胞多样性和特化性提供了全局性的视角，并阐述了VLRB细胞的潜在功能作用和脊椎动物免疫系统演化的模式。
图3 七鳃鳗免疫细胞的演化。
a 七鳃鳗免疫细胞的UMAP可视化，条形图显示了每个组织样本的细胞数；
b 七鳃鳗和小鼠免疫细胞之间的进化关系；c UMAP可视化显示NATTERIN
+
粒细胞亚群特异性基因表达；d 免疫荧光鉴定NATTERIN在粒细胞中的定位。
4. 七鳃鳗Natterin介导铁依赖性的白色脂肪棕色化
本研究鉴定到28万个免疫细胞，并筛选得到一种高表达于粒细胞中，并定位于脂滴上的关键蛋白——Natterin，其不仅是七鳃鳗先天免疫系统的重要组成部分，还可能参与脂肪代谢调控，尤其在白色脂肪棕色化（WAT browning）过程中发挥重要作用，这对于七鳃鳗全身的棕色脂肪样细胞结构特征的出现提供了新的切入点（图4）。此外，采用多种铁代谢正反调节小鼠模型进一步证明Natterin诱导白色脂肪棕色化具有铁依赖性，即Natterin通过作用膜上转铁蛋白受体1（TFR1）促进白色脂肪细胞的脂滴分解、线粒体增多和氧化磷酸化解偶联功能转变。Natterin对TFR1和脂肪细胞分化的调节，对于解释七鳃鳗始终维持全身性较高的组织内铁含量这一适应性进化特征的出现提供了新的解释。
白色脂肪棕色化对于代谢改善和肥胖治疗具有积极的作用，因此本研究进一步通过重组Natterin蛋白在斑马鱼和小鼠体内进行注射实验，同时分别建立转Natterin基因的斑马鱼和小鼠模型，发现其具有良好的诱导白色脂肪棕色化的作用，并且确定最佳的体内注射体系（皮下注射Natterin 125μg/kg）和良好的生物安全性（不会导致铁死亡和炎症反应的发生、无急性毒性、无长期毒性、免疫原性低和高靶向性）。这一突破性发现不仅为肥胖管理提供了全新策略，还展现了其潜在的药物开发价值。
图4 七鳃鳗NATTERIN蛋白介导小鼠的白色脂肪棕色化。
a 系统发育树展示NATTERIN的进化关系；
b UMAP可视化显示粒细胞中Natterin和Plin2的表达；c 小鼠白色脂肪和棕色脂肪标志物的WB分析；d 野生型和NATTERIN过表达小鼠脂肪组织的红外热成像和三维温度分析；e 高脂饮食小鼠注射NATTERIN 30天后体重变化；f 皮下注射不同剂量的NATTERIN（0-1000μg/kg）后，白色脂肪中UCP1、ACSL4（铁死亡的标志物）、IL-1β和TNF-α（两种免疫炎症标志物）的表达水平；g HE染色显示小鼠皮下注射NATTERIN后白色脂肪的组织学特征。
