小鼠腎臟空間組學(xué)揭示調(diào)控機制的性別差異
為什么男性更容易患腎癌？為什么一些腎病在女性中更易緩解？這些性別差異，可能早在我們基因中寫好了程序。最近發(fā)表在 Nature Genetics （IF：31.7）的一項研究《小鼠腎臟的多組學(xué)與空間分析揭示了貫穿生命周期的性別特異性基因調(diào)控差異》，從發(fā)育到衰老，對68只不同性別、不同年齡段的小鼠腎臟做了全生命周期的多組學(xué)空間轉(zhuǎn)錄組分析，構(gòu)建了一個“時間--空間--性別”的分子地圖。
01 文章背景
腎臟是維持體液平衡、調(diào)控血壓和電解質(zhì)穩(wěn)態(tài)的重要器官，腎癌、慢性腎病、急性腎損傷等眾多腎臟疾病表現(xiàn)出顯著的性別差異。盡管已有研究在特定時間點發(fā)現(xiàn)腎臟不同腎單位中存在性別差異表達，但對其在整個生命周期中的動態(tài)變化、以及空間分布特征尚缺乏系統(tǒng)認(rèn)知。本研究由美國華盛頓大學(xué)團隊牽頭，構(gòu)建了覆蓋六個時間點、雙性別以及多組學(xué)維度的小鼠腎臟多組學(xué)整合圖譜，揭示了近曲小管（PT）為主要的性別調(diào)控?zé)狳c區(qū)域，并發(fā)現(xiàn)了多個偏性別表達的轉(zhuǎn)錄調(diào)控模塊和空間表達模式。
02 空間技術(shù)平臺與樣本采集
1. 本研究整合了六種組學(xué)平臺技術(shù)：
snRNA-seq：單核轉(zhuǎn)錄組測定
snATAC-seq：單核染色質(zhì)開放性測序
10X Visium ：空間轉(zhuǎn)錄組
Xenium：單細(xì)胞空間原位雜交
IF:多重免疫熒光
Pheno Cycler：多重蛋白染色
2. 樣本采集：
使用 C57BL/6J小鼠，雌雄各半，共68只。覆蓋六個關(guān)鍵發(fā)育與衰老時間點：胚胎期（E16.5）、新生期（P0）、青少年（W3）、成年（W12、W52）、老年（W92）。共獲得76份腎臟樣本，構(gòu)建“時間—性別—空間”的三維多組學(xué)分析矩陣。
不同時間點的實驗設(shè)計方案03 文章主要結(jié)論
1. 性別差異起源于青春期，聚焦于近曲小管
通過對不同年齡階段小鼠腎臟的單核轉(zhuǎn)錄組（snRNA-seq）和染色質(zhì)可及性（snATAC-seq）數(shù)據(jù)分析，研究發(fā)現(xiàn)腎臟中的性別差異主要集中在近曲小管（PT）細(xì)胞。尤其是PT(S3)亞型，且這種差異的出現(xiàn)具有明顯的時間特異性。在胚胎期及出生后早期（E16.5–P0）幾乎觀察不到性別相關(guān)表達差異，但在W3（青春前期）至W12（青春后期）之間，大量偏性別基因（DEGs）迅速出現(xiàn)，標(biāo)志著性別調(diào)控的啟動與性激素水平升高高度相關(guān)。進一步分析發(fā)現(xiàn)，雌性中PRLR–JAK2–STAT5通路激活，驅(qū)動Socs2等雌性偏表達基因上調(diào)。而雄性中BCL6作為抑制因子可能與STAT5競爭結(jié)合位點，從而抑制該通路。該發(fā)現(xiàn)揭示了性激素在近曲小管性別差異形成中的關(guān)鍵調(diào)控作用。
近曲小管（PT）中的偏性別表達基因（DEGs）
性別偏見調(diào)節(jié)機制圖2. 空間組學(xué)揭示腎臟性別差異的區(qū)域性分布
進一步的空間組學(xué)分析表明，腎臟中的性別差異具有明顯的解剖空間特異性，尤其集中在皮質(zhì)與外髓外帶（OSOM）區(qū)域。研究團隊結(jié)合Visium空間轉(zhuǎn)錄組與Xenium單細(xì)胞空間成像技術(shù)，構(gòu)建了腎臟性別差異表達的空間圖譜。他們發(fā)現(xiàn)，雄性偏表達的Akr1c21主要富集于OSOM中的PT(S3)區(qū)段，而雌性特異表達的Prlr、Jak2和Socs2也在相同區(qū)域表現(xiàn)出高表達水平，提示OSOM為性激素調(diào)控的主要靶區(qū)。此外，Pigr在雄性皮質(zhì)至髓質(zhì)交界處的局部表達升高，或為男性腎臟疾病易感區(qū)域提供了空間基礎(chǔ)。
性別偏向空間分布模式3. 性別與衰老聯(lián)合作用塑造細(xì)胞命運差異
在衰老背景下，研究發(fā)現(xiàn)性別對腎臟細(xì)胞的老化過程具有不同影響，且與性別偏表達基因存在交集。通過比較W92與較年輕樣本的表達變化，發(fā)現(xiàn)雄性小鼠的PT細(xì)胞在老齡階段表現(xiàn)出更廣泛的表達重編程，尤其是SASP相關(guān)基因如Spp1、Acsm3、Cyp7b1等顯著下調(diào)，而雌性在集合管（CD_PC）細(xì)胞中展現(xiàn)出更多衰老相關(guān)變化。此外，一些基因如Prlr和Pappa不僅存在性別偏差，還隨年齡顯著上調(diào)，提示其可能同時參與性別和衰老的雙重調(diào)控。這一發(fā)現(xiàn)強化了“性別變量”在衰老機制研究中的必要性，也為性別相關(guān)的腎衰老干預(yù)提供了潛在靶點。
不同腎細(xì)胞類型的衰老04 文章小結(jié)
這項工作構(gòu)建了迄今為止最為全面的腎臟性別差異多組學(xué)與空間圖譜，系統(tǒng)揭示了從胚胎發(fā)育到衰老過程中，性別如何通過激素驅(qū)動和轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制動態(tài)塑造腎臟基因表達與空間結(jié)構(gòu)格局，特別是在青春期階段表現(xiàn)出明顯的“性別程序啟動”特征。該研究不僅為腎臟發(fā)育、代謝與衰老等基礎(chǔ)研究提供了重要的性別生物學(xué)參考，也展示了空間組學(xué)在器官水平研究中的技術(shù)潛力，同時為臨床理解男性腎癌高發(fā)、女性腎病緩解更快等現(xiàn)象提供了新的分子依據(jù)。
