背景介绍

构建人体组织的基因表达图谱常受限于健康样本的获取。以往研究多采用脑死亡捐献者或病理切除组织旁的"邻近正常"组织，但这些样本存在缺血、代谢紊乱或疾病微环境干扰等问题。

2026年4月，国际顶级期刊《Nature》发表了题为“A spatial atlas of the healthy human liver from live donors”的突破性研究，该研究通过空间转录组学（Visium、Visium HD、MERFISH和PhenoCycler 成像）与单细胞核RNA测序（snRNA-seq）的深度整合，系统揭示了活体健康人肝的空间表达蓝图，并发现人类肝脏中央区功能相较于小鼠及其他哺乳动物存在明显差异。本研究为健康人类肝脏提供了空间基因表达参考框架，并深入揭示了早期脂肪变性过程中肝细胞的变化机制。

空间转录组学

揭示活体健康供肝的独特转录组特征

研究团队首先通过Visium空间转录组学系统解析了16例肝脏样本的转录组特征，包括8例活体健康供肝（LHD）和8例病理旁"邻近正常"组织。在44,243个高质量spots中，研究发现活体健康供肝与邻近正常组织在伪批量表达谱上明显分离：健康供肝高表达肝细胞功能基因，包括尿素循环酶（ASS1）、药物代谢酶（CYP2E1）和糖异生基因（PCK2）；而邻近正常组织则高表达免疫相关基因（S100A8、S100A9）和应激基因。线性混合回归模型显示，"样本类型"是基因表达变异的主要驱动因素，其效应超过年龄、性别和组织学评分。这一发现警示：传统病理旁"正常"组织可能存在系统性偏差，活体健康供肝才是建立真正健康参考标准的理想选择。

图1 人类和哺乳动物肝脏的空间表达图谱

Visium HD & MERFISH

重构肝小叶门静脉

中央静脉轴的精细分区图谱

利用CYP2E1等标志基因构建分区指数，研究团队将肝小叶划分为8个层次。在1,724个肝细胞特异性基因中，1,141个（66%）表现出显著的分区差异。中央静脉区富集外源物质代谢（CYP2E1）、胆汁酸合成（CYP27A1）和脂质合成（FASN）基因；而门静脉区则高表达免疫相关基因（CRP、SAA1）和经典糖异生基因（PCK1）。突破性发现：人类特有的线粒体糖异生基因PCK2和葡萄糖转运蛋白GLUT2（SLC2A2）均呈中央静脉区富集，直接挑战了传统认为糖异生仅限门静脉区的观点。Visium HD与Visium数据验证这些分区模式（Spearman R=0.70，P<10⁻³⁰），MERFISH在500个基因上进一步独立验证了分区模式。

图2 肝细胞基因表达分区

跨物种空间转录组学

揭示人肝分区模式的物种特异性

研究团队生成小鼠（n=6）、野猪（n=2）、家猪（n=3）和牛（n=2）的空间转录组数据，进行系统比较。主要结论：人与小鼠的分区偏倚相关性较低（R=0.15，P=5.18×10⁻²⁵），存在大规模功能偏移。人类中央静脉区显著富集尿素循环酶（OTC、ASL、NAGS）、脂肪酸合成酶（FASN）及转录因子HNF4A（在小鼠中为门静脉区富集），而这些功能基因在小鼠中多呈门静脉区富集。更意外的是，与猪、牛等大型哺乳动物相比，人肝中央静脉区功能多样性仍显著更高。尽管WNT信号通路的分区模式在所有物种中保守，但人类中央区功能的独特偏移可能由代谢率、激素梯度等物种特异性因素驱动，提示小鼠模型在研究人肝脏代谢疾病时可能存在系统性局限。

图3 哺乳动物之间独特和共同的分区模式

snRNA-seq & Visium HD

解析非实质细胞的空间分区及互作网络

通过snRNA-seq（67,000+个细胞核）结合Visium HD空间定位，研究团队构建了成纤维细胞、Kupffer细胞、肝窦内皮细胞等非实质细胞的分区图谱。与小鼠不同，人肝Kupffer细胞呈中央区富集，可能与其清除高代谢活性中央区死亡肝细胞的功能相关。进一步分析发现多个分区特异性配体-受体互作对：中央区LSECs来源的WNT2与肝细胞FZD5及成纤维细胞FZD1受体互作；成纤维细胞和LSECs表达的RSPO3与肝细胞LGR5和LGR4受体共分区。这些结果为理解肝内分区特异性信号通讯提供了重要资源。

图4 肝脏非实质细胞的分区

机器学习&多组学整合

揭示早期脂肪变性中的线粒体代偿危机

在表现为轻度脂肪变性（<20%）的健康供肝中，MASLD 脂质积累起始于中央静脉区。研究团队利用机器学习对H&E图像进行像素级脂滴定量，将中央静脉区spots按脂质含量分为5个梯度。结果显示：随着脂质增加，脂质摄取/合成基因（SLC27A3、DGAT1）下调，而β-氧化（DIO1、HSD17B4）和脂质分泌（ABCB4）基因上调——提示肝细胞试图通过增强线粒体氧化能力限制脂质堆积。关键提示：核编码线粒体蛋白基因（如NDUFA9、NDUFS4、NDUFS8）表达下降，而线粒体自身编码的RNA（MT-ND1、MT-ND4L）却代偿性上升。这种核-线粒体基因表达失衡可能是未来脂毒性的潜在机制之一，为MASLD（代谢相关脂肪性肝病）早期干预提供了全新靶点。

图5 脂肪变性肝细胞基因表达的动态变化

拜谱小结

本研究成功构建了从"样本获取→空间图谱→跨物种比较→细胞互作→疾病机制"的完整研究链条，通过多组学技术打破了"健康对照可用病理旁组织替代"的传统认知，首次明确活体健康供肝作为"分子参考标准"的核心地位，为理解肝脏分区功能的物种特异性提供了范式。拜谱生物推出时空多组学分析服务，直击"空间异质性-细胞互作-疾病机制"关联研究的核心需求，实现多组学检测、深度覆盖：空间转录组（Visium/Visium HD）、单细胞测序（scRNA-seq/snRNA-seq）、靶向代谢组及蛋白组学的全流程解决方案，提供从检测到分析的全流程服务，助力医学研究迈入新阶段。欢迎咨询！

参考文献

Yakubovsky O, et al. A spatial atlas of the healthy human liver from live donors, Nature (2026), https://doi.org/10.1038/s41586-026-10377-y