Single-cell Transcriptomic Profiling Reveals Novel Stem Cell Markers for Corneal Limbal Epithelium Homeostasis
本研究利用由 Sox9-EGFP 引导的单细胞 RNA 测序构建了角膜缘的转录组图谱，识别出独特的细胞簇，并验证了对于维持角膜上皮稳态至关重要的全新干细胞标记物（Gabrp、Fmo1、Fmo2 和 Alcam）。
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人类的眼睛依赖于其前方一个清晰透明的窗口来聚焦光线并产生清晰的图像。这个窗口，即角膜，并非一块静态的玻璃，而是一种不断自我更新的活体组织，大约每两周就会更换一次其表面层。这种不断的修复过程是由被称为角膜缘干细胞的一小群专门细胞管理的。这些细胞居住在角膜边缘的一个狭窄环状区域，即角膜缘（limbus），也就是透明眼球与白色部分交界的地方。它们充当一个储库，通过分裂产生新的细胞，并向内迁移以替换磨损的表面细胞。当这一系统失效时，角膜可能会变得浑浊或出现瘢痕，从而导致视力丧失或失明。几十年来，科学家们一直致力于确定究竟哪些细胞是这些至关重要的干细胞，以及它们是如何维持其再生组织而不转变为普通皮肤细胞的独特能力的。由于缺乏明确的识别方法，理解它们的行为并寻找治疗损伤的方法一直很困难。
伊利诺伊大学芝加哥分校的一个研究小组通过创建一个详细的角膜缘细胞图谱，在解决这一难题方面取得了重大进展。他们专注于一种携带遗传开关的特定小鼠，该开关允许一种名为 Sox9 的蛋白质在显微镜下发出绿光。由于 Sox9 在身体其他部位的干细胞中也是活跃的，研究人员利用这种发光的信号来寻找眼部的角膜缘干细胞。他们收集了来自这些小鼠角膜缘的组织，并将细胞小心地分离成液体悬浮液。为了确保观察到的是健康、活性的细胞，他们对样本进行了测试，发现超过 98% 的细胞是具有生命力的。随后，他们使用了一种被称为单细胞 RNA 测序的强大技术，读取了近 21,000 个独立细胞内的遗传指令。这一过程使他们能够看到每个细胞中哪些基因被开启或关闭，从而有效地为他们检查的每一个细胞创建了一个独特的分子指纹。
分析显示，角膜缘并非一块均匀的组织块，而是一个由 13 个不同细胞组构成的复杂社区。研究人员发现，那些带有绿色 Sox9 信号的细胞集中在一个特定的组中，他们将其鉴定为干细胞可能居住的家园。这些细胞在总人口中所占比例极小，但其遗传特征与那些已经开始分化为成熟角膜细胞的其他细胞截然不同。通过将绿色发光干细胞中活跃的基因与其它细胞组中的基因进行比较，团队寻找了定义“什么是干细胞”的模式。他们发现，虽然存在一些已知的标记物，但有一组四个基因脱颖而出，与干细胞强相关，且在其他细胞中基本不存在。这些基因被命名为 Gabrp、Fmo1、Fmo2 和 Alcam，它们似乎是角膜缘区域所特有的。
为了证实这些基因确实是干细胞特有的，而不仅仅是随机的发现，研究人员通过三种不同的方法对它们进行了测试。首先，他们测量了来自角膜缘和角膜中心的遗传物质含量，发现这四个基因在角膜缘中显著更多。接着，他们寻找了这些基因产生的实际蛋白质，发现它们在角膜缘组织中大量存在。最后，他们使用了一种可以观察蛋白质在组织切片中位置的技术，证实了 Gabrp、Fmo1、Fmo2 和 Alcam 的蛋白质几乎只存在于角膜缘，而在中央角膜中几乎检测不到。其中一个基因 Fmo1 显示出了尤为显著的差异，其在角膜缘的活跃程度似乎比在眼睛中心高出 70 多倍。另一个基因 Gabrp 也被发现量在干细胞区域要丰富得多。
这项研究表明，这四个基因很可能是新的标记物，可以帮助科学家比以前更精确地识别和分离角膜缘干细胞。虽然研究人员并未声称已经解决了关于这些细胞如何运作的所有奥秘，但他们提供了一个清晰的、基于数据的候选名单，这些基因与干细胞维持眼表面的能力有着强烈的联系。这项工作也强调了角膜缘内部的多样性，表明即使在干细胞群体内部，细胞的行为方式以及它们使用的基因也存在细微差别。通过建立这张详细的细胞图谱及其遗传特征，研究人员为未来的研究提供了新的基础。这些知识最终可能帮助医生更好地诊断眼表损伤，或开发新的疗法来通过替换丢失的干细胞来恢复视力，但就目前而言，主要的成就仅仅在于明确知道哪些细胞是保持角膜清晰和健康的关键角色。
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