《PNAS》：首次發現肺泡一型細胞存在兩種細胞亞型

北京生命科學研究所湯楠實驗室在《PNAS》雜誌首次闡述了肺泡一型細胞在肺泡發育和肺泡再生過程中的異質性。

上圖是在成年小鼠肺中由Igfbp2-CreER 譜系標記的表達膜GFP的單個肺泡一型細胞 （王艷傑提供）。這種細胞大而平，細胞膜有很多分支，這樣的結構有利於與周圍細胞建立緊密連接。細胞上有很多大小不一的孔 （Khon孔）。Khon孔的形成機制和功能還有待研究。

目前，我們已熟知肺泡一型細胞是肺泡上皮細胞的一種。但在60多年前，關於是否存在肺泡上皮細胞，科學界是存在巨大爭論的。當時更為流行的觀點是，氣體交換表面僅由毛細血管組成。直到1952年，通過應用電子顯微鏡，科學家們才首次在大鼠肺組織中發現了肺泡 (lymphatic endotheia中存在中存在中兩種上皮細胞：一型細胞（AT1）和二型細胞（AT2）。因此，才提出了氣血屏障由內皮細胞和肺上皮細胞共同構成的理論，並開始了針對肺泡上皮細胞的研究。

此表總結了自發現至今的60多年裡，關於AT1細胞的一些重要發現。

自發現肺上皮細胞至今的60多年裡，肺泡AT2細胞的代謝和功能已被科學家們較深入地進行了揭示。儘管大家都知道AT1細胞對於肺的氣-血屏障功能尤為重要,在肺疾病中也更容易被損傷，但是對AT1細胞的研究卻依然表淺，對AT1細胞的分子遺傳學特徵及異質性就更是知之甚少。這本身也阻礙了對AT1細胞的進一步研究。

例如，傳統認為AT1細胞被看作是終末分化的細胞。而最近一項研究發現，成年AT1細胞可能保留了細胞可塑性，能夠在肺切除誘發的肺泡再生中增殖併產生AT2細胞。但這個令人興奮的發現卻也在領域裡引起了爭論。究其原因，還是因為領域裡缺乏關於AT1細胞發育和異質性的認識，因此並不知道是全部或是僅有一部分AT1細胞能夠轉分化成AT2細胞。

那麼，為什麼人們對AT1細胞的認識依然表淺呢？這裡面有兩個主要原因：

1. 分離AT1細胞有很大的技術挑戰。首先，AT1細胞數量少， (lymphatic endotheia雖然AT1細胞覆蓋了95％～98%以上的肺泡表面，但僅占肺里細胞總數目的10% (甚至更少)。其次，AT1細胞很大，難於從組織中消化分離。另外，AT1細胞又很薄很脆，容易破碎，進一步增加分離時的難度。

上圖是成年小鼠肺泡AT1細胞的電鏡圖 （姜克武提供）。電鏡發現人和小鼠的肺泡AT1細胞最薄的地方只有40-50nm, 這樣的細胞結構有利於氣體有效地擴散到血管。

2. 無特異性標記物，分選難度很大。已往發現的AT1細胞標記物都不足夠特異, 也就是在肺中其他細胞也有表達。例如：PDPN，作為AT1細胞的標記物，在肺臟的基底細胞 (basal cells)、淋巴管上皮細胞 (lymphatic endothelial cells)以及間皮細胞 (mesothelial cells)中都有表達。同樣，AQP5在內皮細胞 (endothelial cells)和AT2細胞中也有表達。AGER在AT2細胞中也有表達。這樣，想要分選純度比較高的AT1細胞就十分困難。

湯楠實驗室的研究者將單細胞測序，小鼠遺傳學和肺泡小體器官培養等技術相結合，第一次探究了在肺泡發育和再生過程中，AT1細胞在轉錄組水平上的變化，並因此發現了一個新的AT1細胞遺傳分子標記物，即胰島素樣生長因子結合蛋白2（Igfbp2）。同時研究者也證實了Igfbp2在人的肺臟中也特異地在AT1細胞表達。

上圖介紹研究者在出生後小鼠的不同發育階段將AT1細胞分選出來進行單細胞測序。

令人驚訝的是,在小鼠出生後Igfbp2才開始在AT1細胞里表達。利用該分子標記物，研究者發現出生後AT1細胞存在著兩種細胞亞型：Igfbp2+Hopx+的AT1細胞和Igfbp2-Hopx+的AT1細胞。在新生小鼠的AT1細胞和再生新肺泡的AT1細胞中，Igfbp2表達不均一，隨著肺泡發育和損傷後的恢復，Igfbp2陽性AT1細胞的比例逐漸增加。同時，研究者發現Igfbp2+Hopx+ AT1細胞是終末分化細胞，在正常發育或損傷後的肺再生中，Igfbp2+Hopx+ AT1細胞不能再轉分化成AT2細胞。該研究結果支持在肺泡再生過程中，AT2細胞分化成AT1細胞過程中有個「非成熟」階段，在這個階段「非成熟」的AT1細胞有細胞可塑性，在損傷等特定地條件下可以轉分化為AT2細胞。

上圖顯示剛出生（Postnatal day 0_P0)小鼠的肺泡AT1細胞不表達IGFBP2。 隨著發育，肺泡里表達IGFBP2的AT1細胞比例逐漸增加。在60天的小鼠肺里，95%的AT1細胞表達IGFBP2。

上圖顯示在肺切除誘導的肺泡再生中，從AT2細胞新分化成的AT1細胞表達一些傳統的AT1 細胞marker，比如Hopx,但在再生的初期 （day 14)並不表達IGFBP2 （F，被膜GFP標記的AT1細胞是新從AT2細胞分化來的AT1細胞）。隨著分化的AT1細胞的「成熟 」(day 45)，這些新的AT1細胞開始表達IGFBP2 （G and H）.

這項研究為將來研究肺泡AT1細胞在肺泡再生和疾病進程中的作用提供了重要的研究基礎,為AT1細胞命運的調控機制研究提供了工具和研究方向。另外，基於此研究，還有很多重要的問題值得去探索，比如，「成熟」的AT1細胞到底和「非成熟」的AT1細胞到底有什麼不同？調控AT1細胞成熟的分子機制是什麼？越來越多的證據表明AT1細胞不只具有被動的氣體交換功能，AT1細胞會主動參與到肺再生和疾病的修復過程。未來湯楠實驗室會繼續推進對肺泡AT1細胞的細胞學和生理學研究。

湯楠實驗室PTN項目博士生王艷傑為第一作者。該論文的其他作者還包括湯楠實驗室湯贊、李蛟、王諍、於元元和李娟，核酸測序中心的黃煥偉，轉基因中心的王鳳超博士，北京武警總醫院的張成偉博士，中日友好醫院的代華平博士。湯楠博士和蔡濤博士為共同通訊作者。該研究由北京市科委基金和中國國家重點研究與發展項目資助，在北京生命科學研究所完成。

原文標題

The pulmonary alveolar type I cell population consists of two distinct subtypes that differ in cell fate

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