江西農業大學發表《Science》

近日，國際頂尖學術期刊《Science》發表了江西農業大學黃路生院士團隊的重要研究成果。在構建全球首個哺乳動物涵蓋同一個體胚胎全身115個組織及其妊娠母親119個組織的單細胞/單核轉錄圖譜基礎上，系統鑒定全身組織890種細胞類型及其特異表達的轉錄因子，并進一步揭示母胎界面中胎兒尿囊絨毛膜滋養層細胞因亮氨酸轉運不足而導致胎兒生長受限的分子細胞學基礎，以及妊娠期間母體心臟能量適應的新機制。

江西農業大學為唯一完成單位，獨立完成了全部研究工作。中國科學院院士、中國畜牧獸醫學會理事長、國家畜禽遺傳資源委員會主任黃路生、江西農業大學楊斌研究員、饒琳博士、張青博士為論文共同通訊作者，江西農業大學蔡麗萍博士、張青博士、姚天雄博士和鄒霄霄博士為論文的共同第一作者。這也是《Science》雜志創刊以來，中國豬遺傳育種領域首篇在該期刊由國內單位獨立完成的長篇研究論文。

圖片說明：系統研究覆蓋單一個體全部組織890種細胞類型轉錄因子表達特征并揭示家豬胎兒生長受限與妊娠心臟能量適應關鍵細胞類型及其分子機制。

背景介紹：

人體約由37萬億個細胞組成，有序組裝為各類組織與器官，構成結構緊密和功能高度復雜的生命體。單細胞測序技術為理解復雜的生命過程提供了重要手段。截至2026年1月，相關研究成果已在《Nature》《Science》《Cell》等頂級學術期刊上發表了170多篇文章。然而，迄今幾乎所有圖譜均面臨一個共性限制：全身不同組織的細胞圖譜多來源于不同個體，還未實現“一個生命體全部組織的系統細胞解析”。這一局限帶來兩個主要問題：第一，不同個體遺傳、營養、環境及健康差異會引入大量表達“噪音”，使得同一或不同細胞類型的跨器官比較研究缺乏統一參照；第二，難以區分目標基因表達差異是真正的“細胞類型特異”，還是由個體差異導致。為此，構建“同一個體全部組織的單細胞圖譜”被包括斯坦福大學、加州大學伯克利分校、舊金山分校等發起的美國Tabula Sapiens聯盟視為標志性目標。但即便是在大型哺乳動物中，這一目標也仍極具挑戰性，核心難點在于需要在短時間內完成超百個組織的同步采集與規范化細胞處理，對技術體系的穩定性和時效性提出了嚴格要求。人類相關研究中，由美國Tabula Sapiens聯盟完成的單個個體17個組織的單細胞圖譜，是目前同一個體組織來源最多的相關研究成果。

妊娠是母體與胎兒共同經歷的關鍵生命階段。在此期間，母體心臟必須在短時間內完成廣泛的生理適應，血液輸出量要增加30-50%，同時母體需要通過胎盤向胎兒輸送營養。如果營養運輸不足就可能導致胎兒生長受限。全球養豬產業中，胎兒生長受限發病率最高可達15-20%；人類妊娠中這一比例約為5-10%。由于獲取健康人類母體與胎兒組織樣本受限，相關機制研究無法系統開展。豬在解剖結構、生理代謝、免疫系統及器官大小均與人類高度相似，解析這些機制不僅有助于提高母豬生產效率，也對理解人類妊娠健康具有非常重要意義。為此，構建妊娠狀態下母、胎的全身單細胞圖譜，并解析正常妊娠母體心臟適應及胎兒生長受限的分子細胞學機制具有獨特的科學價值。

2020年7月項目啟動初期，哺乳動物多種組織的細胞解離技術尚不成熟，部分組織因成分復雜，基質干擾性強，難以制備出高活性的單細胞懸液。面對大型哺乳動物組織細胞解離的技術難關，科研團隊展開了持續半年的集中攻關。團隊核心成員先后50余次在凌晨4點趕赴屠宰場采集組織樣本，最終攻克了所有119個目標組織高細胞活性單細胞懸液制備的技術瓶頸。基于此，團隊成功實現了單個胎豬及其妊娠母豬全身115個和119個組織的同步采集、快速細胞解離和大規模單細胞數據整合等多個技術難點。結合獨特的實驗設計，項目進一步系統解析了妊娠晚期母豬心臟功能適應性變化，以及胎豬生長受限的關鍵細胞分子機制。

創新發現：

一、闡明胎盤營養運輸不足導致胎兒生長受限的分子細胞新機制：

在我國規模化養豬生產中，胎兒生長受限（Fetal growth restriction, FGR）發生率為5-20%。以全國7億頭生豬養殖規模生長受限發生率的下限5%計算，我國養豬產業每年產生的生長受限個體數量至少3500萬頭。由于生長受限個體的料肉比通常比正常個體額外高0.15，且出欄晚10天左右，由此額外多消耗至少53.5萬噸糧食，相當于390萬人口一年的口糧。生長受限個體生長發育遲緩、抗病能力不足，是仔豬斷奶前死亡（<1kg體重個體死亡率約40%）的最主要因素。生長受限個體的處理與管控也加大了養殖環保壓力，已成為制約我國生豬產業高質量發展的重要瓶頸。同時，胎兒生長受限也是一種常見而且病因復雜的人類妊娠并發癥，發病率約為5-10%。在人類開展生長受限研究，因倫理限制以及遺傳、環境、年齡等多重因素干擾，機制解析存在巨大挑戰。

研究團隊利用豬一胎多仔的生物學優勢，對10頭大白母豬生產的132頭正常胎豬和19頭全同胞生長受限胎豬，系統開展了單細胞單核轉錄組、代謝組與表型組的深入研究。發現生長受限胎兒的尿囊絨毛膜10種主要細胞類型中，滋養層細胞中的中性氨基酸轉運蛋白SLC1A5和SLC38A2顯著下調，導致胎兒血液循環中L-亮氨酸濃度降低。L-亮氨酸是一種必需氨基酸，是肌球蛋白與肌動蛋白的主要組成部分，對肌原纖維蛋白的合成至關重要。團隊進一步在生長受限胎兒背最長肌中發現，肌動蛋白ACTN3和肌球蛋白MYL1、MYO18B編碼基因的表達水平下調，導致需要高表達這些基因的II型肌纖維亞群（TypeIIC1）比例顯著下降，最終造成胎兒發育受阻，體重減輕。為驗證這一機制，項目組通過（1）人類肌源性祖細胞、（2）滋養層類器官、（3）肌肉類器官，以及（4）妊娠大鼠和（5）妊娠母豬的亮氨酸挽救實驗，多途徑、多物種證實了尿囊絨毛膜滋養層細胞中性氨基酸轉運受體轉運L-亮氨酸不足影響胎兒生長受限的分子細胞學機制。

該研究創新性地將母胎亮氨酸轉運障礙的關注點錨定到胎盤尿囊絨毛膜的滋養層細胞，揭示了L-亮氨酸通過調控核心肌動蛋白和肌球蛋白，影響胎兒肌肉中特定肌纖維亞型TypeIIC1的增殖分化，進而導致胎兒生長受限的細胞分子新機制。這些發現不僅為通過豬遺傳改良及營養調控減少規模化豬場胎兒生長受限發生率提供了寶貴信息，也為人類臨床干預胎兒生長受限提供了重要參考。

二、揭示母體妊娠期間心臟能量適應的新機制：

妊娠期是影響母豬生產性能的關鍵階段，不僅關系到生產節律的穩定、仔豬的持續供應，也影響母豬的繁殖壽命。在這一階段，母體會發生劇烈但可逆的變化。以心臟為例，母體心臟在短時間內必須經歷多層次生理重塑：血液輸出量要增加30-50%、心臟發生生理性肥大、同時代謝和結構全面調整。一旦這些適應過程失衡，極易誘發代謝紊亂，心血管功能異常，并促進心力衰竭的發生。有報道顯示，妊娠母豬死亡中約24%與圍產期心力衰竭相關。在人類中，約12%的孕產婦死亡與妊娠相關心臟異常有關。由于無法獲取健康孕婦孕期心臟樣本，心臟重塑的細胞與分子機制長期缺乏系統性解析。豬在孕期生理和心臟結構方面與人類高度相似，是研究這一科學問題的理想模型。

本研究對妊娠前期、妊娠晚期和妊娠分娩后三階段的半同胞母豬心臟進行單核轉錄組測序，系統分析了孕期心臟細胞與分子動態變化。發現心臟在孕期出現的“可逆性”肥大，由心肌細胞中一條重要的保護性分子通路——FOXO3–FBXO32通路維持。該通路能夠抑制誘發病理性肥大的鈣調蛋白信號，幫助心臟在孕期保持健康狀態。同時，妊娠期心臟的能量代謝方式也發生了重大的“切換”：妊娠期間，心肌細胞更多地利用脂肪酸作為能量來源。這一代謝重編程通過一種妊娠期顯著增加的特殊內皮細胞類型（Cap2亞群）來實現。這種內皮細胞亞群高表達LPL、FABP3等多種脂肪酸轉運基因，功能實驗進一步證實其能顯著提升脂肪酸攝取能力，是心肌能量供應改變的關鍵“門衛”。

這些發現揭示了孕期心臟的細胞與分子適應新機制，為促進健康妊娠、增強心臟代償能力以及降低圍產期死亡風險提供了重要理論依據。

三、構建全球首個哺乳動物中覆蓋同一個體全部組織的單細胞單核轉錄組全景圖譜，系統鑒定不同組織及其細胞類型的特異轉錄因子：

為了實現“同一個體覆蓋全部組織的單細胞單核轉錄組圖譜”這一標志性目標，團隊在單一妊娠母豬及其單個胎兒個體上，于16小時內同步高效完成同一個體119個組織部位，母胎總計275個樣本的單細胞解離，成功構建了目前國際上組織覆蓋度最全的哺乳動物單細胞單核圖譜，系統鑒定出全身所有組織890種細胞類型及其特異表達的轉錄因子。基于這一獨特的全組織單細胞單核轉錄組全景圖初步開展了以下三個應用探索：

1.為研究轉錄因子的組織細胞類型表達模式提供全面高精度的“導航圖”：轉錄因子（TF）是調控細胞命運與功能的核心分子。盡管編碼轉錄因子的基因數量僅占全基因組基因總數約7.5%，其基因突變對表型的影響卻十分顯著。如影響豬重要經濟性狀的大效應基因：ESR1（影響每窩0.5-1.5產活仔數）、HMGA1（影響6厘米體長）、PLAG1（影響4公斤體重）和VRTN（影響一對排骨）均為轉錄因子；但其全面系統的分子細胞學作用機制至今仍然不清晰，解析這些機制首先需要了解它們分別會在什么組織，什么細胞類型中特異性表達。本研究采用的“All-from-one”實驗設計，使得研究團隊能夠在同一個體的全身所有組織背景下鑒定出不同細胞類型特異性轉錄因子，排除了不同個體在遺傳、營養、環境、健康狀態差異帶來的干擾，從而能真實地反映健康生理條件下調控細胞身份與功能的轉錄因子。在所研究的1368個轉錄因子中，研究團隊在胎豬和母豬中跨76種主要細胞大類分別鑒定出355個（占26%）和407個（占30%）細胞類型特異性表達的轉錄因子。其中，有132個轉錄因子在母豬和胎豬中均被檢測到，包括在肝細胞中特異表達的A1CF和ATF5，以及在脂肪細胞中特異表達的PPARG。為驗證該細胞類型特異性轉錄因子目錄的可靠性，項目組對一個新發現的小膠質細胞特異性轉錄因子IRX6，從多個維度進行了驗證，包括同一個體28個不同大腦部位scRNA-seq、snATAC-seq、RNA原位雜交以及基因編輯豬模型，結果均支持本研究鑒定的轉錄因子具有高度的可靠性。

進一步對重要經濟性狀相關的轉錄因子進行分析，發現ESR1基因在垂體的促性腺激素細胞（Gonadotropin）中特異高表達，提示ESR1可能在該細胞類型中發揮調控產仔數的重要功能。PLAG1基因在肌纖維細胞中特異高表達，提示該基因可能通過調控肌纖維細胞增殖分化影響肌肉生長，進而影響胴體重。相比較，HMGA1廣泛地在各種免疫，上皮細胞中表達，與其對多種性狀廣泛的調控功能一致。這些結果表明，本研究鑒定的組織與細胞類型特異性轉錄因子，有助于精準揭示影響重要經濟性狀的遺傳位點所對應的特定組織和細胞類型，對深入解析經濟性狀的分子調控機制并將其應用于精準分子設計育種具有重要意義。

2.為人類妊娠相關疾病藥物靶點篩選及潛在副作用評估提供參考：通過分析妊娠高血壓一線藥物16個受體基因在胎兒和妊娠母豬全身所有76種主要細胞類型中的表達譜，團隊發現，CACNA2D1、CACNB2和CACNA1D等藥物靶向受體基因在胎兒和妊娠母豬的多種細胞類型中廣泛高表達。相比之下，ADRA1B和ADRA1D僅在有限的細胞類型中表達，表明靶向后者的妊娠藥物可能帶來更少的副作用。

3.為同一細胞類型跨組織功能比較提供理想數據：在所有的組織中，研究團隊都鑒定到了不等數量不同功能的內皮細胞。盡管血管內皮細胞的免疫和清道夫功能在100年前已經被發現，但健康個體跨不同組織的內皮細胞功能異質性至今仍然沒有被闡明。本研究整合分析了來自全身345個樣本的超過29萬個內皮細胞，鑒定出多達412種內皮細胞亞型，并系統揭示了這些內皮細胞亞型在胎兒及其懷孕母親不同器官、不同血管類型與不同發育階段中免疫和清道夫（Scavenger）功能的顯著異質性。例如，主要組織相容性復合體（MHC）II類基因SLA-DRA，SLA-DRB1和SLA-DQB1在胎兒大腦內皮中幾乎不表達，但是在胎兒外周組織以及成年所有組織中均廣泛表達，提示胎兒大腦內皮尚未建立起SLA分子介導的免疫功能。這些分析揭示了腦組織與外周組織內皮細胞在免疫及清道夫功能方面存在的顯著差異。為深入理解不同組織血管類型內皮細胞的特異免疫調節機制提供了重要支撐，也為血管相關疾病的靶向研究與干預提供了科學依據。

四、跨物種保守性研究：夯實豬作為人類醫學模型的理論基礎：為系統評估豬不同組織細胞類型的轉錄組跨物種保守性，為其作為人類醫學模型提供理論參考，研究團隊開展了大規模單細胞數據跨物種分析，整合了人類（23.3萬個細胞）、小鼠（8.5萬個細胞）和本研究構建的豬（45.4萬個細胞）單細胞數據集。分析結果顯示，三個物種在免疫、上皮、內皮、膠質、神經細胞等關鍵細胞類型的轉錄組特征、基因網絡以及轉錄因子表達譜均呈現出高度保守性。針對本項目的主要創新點進一步分析，發現人類心臟中也存在與豬Cap2高度相似的內皮細胞亞群，并同樣高表達LPL和FABP3等脂肪酸轉運基因；人類胎盤滋養層細胞與豬對應細胞類型在轉錄組特征上高度相似，同樣高表達SLC1A5和SLC38A2基因；此外，人類胎兒肌肉組織中也存在與豬TypeIIC1肌纖維相對應的亞群，與豬類似，該亞群也高表達ACTN3基因。本研究在單細胞分辨率下系統揭示了豬與人類在多種關鍵細胞類型中的轉錄調控保守性，為闡明哺乳動物細胞類型的進化穩定性提供了重要證據。上述發現不僅深化了對跨物種細胞分子特征保守性的認識，也進一步強化了豬作為人類生理與疾病研究重要模式動物的理論依據。