肝内 TCF7L2 的空间转录活性调控分区代谢途径在肝纤维化中的关键作用

为探究肝脏代谢分区的分子机制，研究人员开展了转录因子 7 样 2（TCF7L2）在小鼠肝脏中空间转录功能的研究。结果显示，TCF7L2 调控多个分区代谢途径，其失活会促进肝纤维化。该研究为理解肝脏生理和肝病治疗提供了新视角。

　　在人体中，肝脏如同一个繁忙的 “化学工厂”，承担着众多至关重要的生理功能，像调节血糖、代谢脂肪和解毒等。然而，肝脏疾病却严重威胁着人类健康，全球每年约有 200 万人因肝脏疾病离世，其中代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MAFLD）的发病率正随着肥胖和 2 型糖尿病（T2D）的流行而不断攀升。MAFLD 涵盖了从简单的脂肪变性到脂肪性肝炎（MASH）等一系列病症，MASH 若未得到有效控制，会进一步发展为肝纤维化、肝硬化，甚至引发肝癌。尽管肝脏在维持人体稳态中起着核心作用，但目前人们对肝脏生理学的理解仍存在诸多不足，尤其是肝脏代谢分区的分子和生理机制尚未完全明晰，这严重制约了肝脏疾病新治疗策略的开发。

为了填补这些知识空白，来自美国德克萨斯大学健康科学中心圣安东尼奥分校、芬兰东芬兰大学、美国加利福尼亚大学洛杉矶分校等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。他们聚焦于转录因子 7 样 2（TCF7L2），探究其在小鼠肝脏中的空间转录功能，以及对肝脏代谢结构和分区代谢途径功能的影响。研究成果发表在《Nature Communications》上，为深入理解肝脏生理和肝脏疾病的发生发展机制提供了重要线索。

研究人员采用了多种先进的实验技术来开展此项研究。其中，单细胞核 RNA 测序（snRNA-Seq）和单细胞核 ATAC 测序（snATAC-Seq）技术发挥了关键作用，它们能够从单细胞层面解析基因表达和染色质可及性，助力研究人员探究 TCF7L2 对空间表达基因的转录调控。此外，研究还运用了加权最近邻（WNN）分析、伪时间分析等生物信息学方法对数据进行深度挖掘。在动物实验方面，研究人员构建了特定的小鼠模型，如将 TCF7L2^LoxP/LoxP小鼠与 Alb-Cre 小鼠杂交，以实现肝脏中 TCF7L2 基因的特异性敲除，从而深入研究其功能。

研究结果如下：

1. 多模态单细胞核基因组学鉴定分区肝细胞：研究人员利用 snRNA-Seq 和 snATAC-Seq 技术，结合 WNN 分析，成功鉴定出小鼠肝脏中的实质和非实质细胞群体，并根据分区标记基因的表达将肝细胞细分为门静脉周围（PP）1 区、小叶中区 2 区和中央周围（PC）3 区。通过这种方法，他们总共识别出 526 个分区表达基因，不仅证实了已知分区表达基因的存在，还发现了一些此前未被报道的分区表达基因。
2. Tcf7l2 mRNA 在肝小叶中普遍表达：研究发现，Tcf7l2 mRNA 主要存在于肝脏实质细胞中，在一些非实质细胞（如库普弗细胞）中也有可变表达。但令人惊讶的是，Tcf7l2 mRNA 在整个肝小叶中均有表达，且在不同肝细胞区域之间不存在差异表达。
3. TCF7L2 的内源性转录活性在肝脏中存在空间调控：通过对 snATAC-Seq 数据的分析，研究人员发现 TCF7L2 的 DNA 结合基序（MA0253.1）仅在 3 区肝细胞的细胞核中可及，在 1 区和 2 区则基本不可及。此外，利用 TCF/Wnt 信号报告小鼠的实验也直观地显示，TCF7L2 的活性仅局限于 3 区靠近中央静脉的少数几层 PC 肝细胞中。
4. 小鼠肝脏中 TCF7L2 的转录失活：研究人员构建的肝脏特异性 TCF7L2 突变小鼠模型（Hep-TCF7L2^ΔDBD）显示，该模型小鼠中 TCF7L2 转录失活，导致 Axin2 和 Lgr5 等 TCF7L2 靶基因的表达显著降低，而相关 Wnt 转录因子 Tcf7 和 Lef1 的表达未发生变化。
5. TCF7L2 失活消除 3 区特异性肝细胞基因表达：在 Hep-TCF7L2^ΔDBD小鼠中，3 区特异性肝细胞标记基因 Glul 的表达在 6 周龄时完全消失，这表明 TCF7L2 的失活对 3 区特异性基因表达产生了显著影响，而对 1 区基因表达的影响较小。
6. TCF7L2 突变肝脏中分区转录共调节因子发生改变：Hep-TCF7L2^ΔDBD小鼠中 TCF7L2 DNA 结合的缺失，显著限制了 2 区和 3 区肝细胞中 TCF7L2 结合基序的可及性，同时也改变了其他一些可能参与维持代谢分区的转录因子的基序可及性。研究还发现，TBX3 和 TCF7L1 在 TCF7L2 缺失的情况下，对分区基因表达的变化起到了重要作用。
7. Hep-TCF7L2^ΔDBD小鼠饮食诱导的肝纤维化加剧：研究人员给 Hep-TCF7L2^ΔDBD小鼠喂食不同的饮食（如 CDAHFD 和 GAN 饮食），发现这些小鼠更容易发生肝纤维化。具体表现为肝脏胆固醇积累增加、胆汁酸合成减少、谷氨酰胺和谷氨酸代谢紊乱等，且随着纤维化程度的加重，TCF7L2 的表达逐渐降低。
8. Hep-TCF7L2^ΔDBD小鼠中中央周围代谢途径减少：基因集富集分析表明，Hep-TCF7L2^ΔDBD小鼠肝脏中多个通常在 3 区活跃的代谢途径（如胆汁分泌、谷氨酰胺和谷氨酸代谢等）均受到影响，这进一步证实了 TCF7L2 在维持 3 区肝细胞正常代谢功能中的重要性。
9. Hep-TCF7L2^ΔDBD小鼠肝脏谷氨酰胺分解增强：对尿素循环和谷氨酰胺代谢的定量分析显示，Hep-TCF7L2^ΔDBD小鼠在喂食 CDAHFD 和 GAN 饮食后，肝脏谷氨酰胺水平显著降低，谷氨酸水平升高，谷氨酰胺分解代谢增强。
10. 分区 TCF7L2 通过胆汁酸合成调节肝脏胆固醇：研究发现，Hep-TCF7L2^ΔDBD小鼠肝脏中胆汁酸合成减少，导致胆固醇积累。具体表现为总胆汁酸池减少，肝和肠道胆汁酸含量降低，Cyp7a1 mRNA 表达下调等，这表明 TCF7L2 在调节肝脏胆固醇稳态中发挥着重要作用。

综上所述，该研究首次揭示了 TCF7L2 在小鼠肝脏中的空间转录功能及其对分区代谢途径的调控作用。TCF7L2 的失活会导致肝脏代谢紊乱，加速肝纤维化的发展。这一研究成果不仅丰富了人们对肝脏生理学的认识，还为开发针对肝脏疾病（尤其是肝纤维化和 MAFLD）的新型治疗策略提供了潜在的靶点和理论依据。不过，研究也存在一定的局限性，例如研究是在喂食普通饮食并过夜禁食的小鼠中进行的，未来还需要在不同代谢条件和疾病状态下进一步探究 TCF7L2 的功能。