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大型家畜高原适应性进化与种间杂交优势，一直是高原畜牧与进化生物学领域的研究热点。犏牛作为黄牛和牦牛的杂交后代，兼顾高原低氧耐受能力与高产生长性能，拥有极高的产业价值，但它的细胞水平适应机制尚不清晰。
传统混合转录组（bulk RNA‑seq）只能得到组织平均信号，掩盖细胞异质性；而单细胞核转录组（snRNA‑seq）尤其适配冷冻样本，规避新鲜组织解离难题，成为解析非模式大动物器官细胞图谱的利器。
今天带大家精读发表于 International Journal of Molecular Sciences 的研究，该工作利用 snRNA‑seq 绘制牦牛‑犏牛肺细胞核图谱，挖掘间充质‑上皮互作介导肺间质重塑的分子机制，为解析犏牛杂交优势提供新的研究思路。
基迪奥生物为本研究提供了单细胞核转录组测序与分析服务。
● 发表期刊：International Journal of Molecular Sciences（IF=5.6）
● 合作单位：中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所
研究背景：
犏牛是黄牛与牦牛种间杂交后代，既继承牦牛高原极端环境耐受特性，又保留黄牛优良产奶、生长性能，具备突出的畜牧经济价值。肺是机体气体交换核心器官，在高原低氧适应中发挥决定性作用。
传统 bulk 转录组无法区分组织内部复杂的细胞异质性，难以解析不同细胞类群在低氧胁迫中的分工。该研究首次构建犏牛与牦牛肺组织 snRNA‑seq 图谱，从细胞核分辨率解析犏牛高原适应的分子基础，填补了牦牛‑犏牛肺单细胞核比较研究的空白。
已有大量研究证实肺细胞组分、血管发育通路参与牦牛高原适应性调控；细胞图谱、细胞通讯、拟时间轨迹等 snRNA‑seq 分析范式成熟，为本课题提供可靠的技术支撑。
研究成果：
肺细胞核图谱揭示：间充质细胞是牦牛与犏牛最主要差异细胞类群
对 21488 个高质量细胞核降维聚类与注释，共鉴定 5 大类细胞：上皮细胞、内皮细胞、间充质细胞、免疫细胞、未知细胞。犏牛特有聚类 cluster24 依据标记基因 BPIFB1/LTF/SPDEF 注释为杯状细胞（来自文章讨论部分，补充表 S2）。
细胞占比统计发现：
✅ 犏牛间充质细胞占比（12.7%）显著高于牦牛（8.1%）；免疫细胞占比低于牦牛；上皮、内皮细胞比例无显著差异。
✅ 跨物种比较中，间充质细胞拥有最多的差异表达基因（1590 个 DEGs）。
综合细胞丰度变化与转录组特征，间充质细胞是介导犏牛‑牦牛肺转录分化的核心细胞群体。
图1 牦牛与犏牛肺样本的细胞类型及特征基因谱
功能富集提示间充质细胞驱动犏牛肺间质微环境重塑
各细胞类型差异基因展现功能特异性：
● 内皮细胞：富集血管发育、细胞迁移；
● 上皮细胞：富集细胞膜突起组装；
● 免疫细胞：富集免疫应答；
● 间充质细胞：显著富集解剖结构形态发生、细胞蛋白代谢。
基于全部跨物种差异基因，筛选得到互作网络枢纽基因：ACTB（β‑肌动蛋白）、CTNNB1（β‑连环蛋白）、UBB（泛素 B），推测协同调控间充质重塑。
科学推论：犏牛间充质细胞蛋白代谢活性提升，为胞外基质合成提供物质基础；激活解剖形态发生通路驱动肺间质重构。不同于牦牛偏向高效氧扩散的 “轻量化肺结构”，犏牛拥有更强肺间质重塑能力，这是犏牛杂交优势重要的细胞分子基础。
图2 牦牛与犏牛肺细胞类型的功能富集分析
细胞通讯锁定关键通路：TENASCIN 信号介导间质‑上皮细胞互作
利用 CellChat 开展细胞通讯分析，牛属无专用配体受体库，本研究采用基因同源映射至小鼠数据库开展计算预测。
1）犏牛中间充质细胞与上皮细胞的通讯交互强度显著高于牦牛，是两组差异最大的细胞互作关系。
2）通路信息流比较发现 TENASCIN 通路在犏牛显著上调：间充质细胞分泌配体 Tnc（腱糖蛋白 C），作用上皮细胞表面受体复合物 Itgav+Itgb6、Itgav+Itgb3；其中 Tnc‑(Itgav+Itgb6) 贡献度更高。
💡提示：该部分为生信计算预测结果，还需要分子实验进一步验证。 假说：间充质来源 Tnc 激活上皮整合素受体，调控肺形态建成，提升肺间质重塑能力，支撑犏牛高原低氧适应。
图3 肺中间充质细胞与上皮细胞的细胞间通讯
间充质细胞高度异质性，找到分泌 Tnc 的效应亚群
对间充质细胞二次分群得到 7 个转录特征不同的亚群，各亚群功能分化：参与细胞迁移、机体发育、血管生成、免疫应答、翻译代谢等生物学过程。 Tnc 高表达集中于 0、2、5 亚群，依据标记基因注释为肺泡成纤维细胞、肺泡脂成纤维细胞、导管肌成纤维细胞（原文附图 S4）。
确定这三类亚群是分泌 Tnc 配体，介导间质‑上皮通讯互作的主要效应细胞。
图4 牦牛和犏牛肺中间充质细胞的异质性
拟时间轨迹解析间充质分化动态，鉴定核心调控基因
使用 Monocle2 对 2234 个间充质细胞构建拟时间分化轨迹，识别 1234 个随分化动态变化的基因，分为 5 种表达模式。
● cluster2 模块基因随拟时间持续上调，富集定位调控、应激应答、血管平滑肌收缩通路，代表间充质细胞分化晚期功能特征；
● ACTB 被鉴定为分化过程核心调控基因，参与间充质细胞状态转换与分化。
图4 肺间充质细胞的拟时间分析
小结：
1. 本研究利用 snRNA‑seq 在细胞核分辨率对比牦牛与犏牛肺，跳出传统 bulk 转录组平均信号的局限，揭示间充质细胞是犏牛高原适应的关键细胞类群。犏牛肺中间充质细胞占比上升，通过 TENASCIN 信号完成间质‑上皮通讯，驱动肺间质微环境重塑，解释犏牛兼顾低氧适应和优良生产性能的杂交优势。
2. 该研究提供一套可直接复用的分析流程：细胞图谱绘制→锁定关键差异细胞→细胞通讯挖掘通路→亚群细分定位效应细胞→拟时间解析分化轨迹，对家畜高原胁迫、器官发育、杂交优势相关项目具备很强参考价值。
本研究也存在几点客观局限：
①实验采用组内多只动物样本混合建库，无个体独立文库；细胞比例、差异基因统计学检验以细胞核为统计单元，而非动物个体，无法充分评估动物个体层面生物学变异，存在统计显著性被放大风险；
② 细胞通讯结果为生信预测，缺少蛋白层面免疫荧光等体内外实验验证；
③ 样本全部为雄性个体，未纳入雌性牦牛、犏牛，性别相关差异尚有待后续研究。
当前畜禽大动物组学研究正在从单纯转录组图谱，走向 sn/scRNA‑seq + 空间转录组 + 多组学联合 + 体外细胞功能验证完整证据链时代。仅靠生信计算得到的通路、细胞通讯只能提出科学假说，结合空间位置信息、免疫荧光、原代细胞功能实验，才可以把组学发现转化为育种可用的候选靶点。
基迪奥生物深耕畜禽大动物单细胞 / 单细胞核转录组服务，积累牛、羊、猪等非模式物种专属分析流程，已助力客户产出丰富的畜禽方向高水平成果。
从前期实验方案设计，测序到高级生信挖掘，一站式助力高原家畜、畜禽抗逆育种科研产出。
如果有项目需求欢迎联系我们，基迪奥生物与您一起冲击顶刊。
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