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Enigma
肝脏是一个高度异质的器官。肝细胞和支持非实质细胞在被称为“肝小叶”的重复六边形解剖单元中活动。血液进入小叶的角落，称为“门脉节点”，并通过窦性通道流入引流的中央静脉(CVs)。这种极化的血流与肝细胞的连续消耗和分泌相结合，产生氧气、营养物质和激素的梯度分布，导致高度异质的微环境，因此肝脏中不同位置细胞在基因表达上呈现显著差异，该现象称为“肝脏分区”，目前尚不清楚这种空间异质性如何影响肝脏病理和再生过程。
肝脏具有强大的再生能力。在急性剂量的药物作用下，试图解毒这些外来物质的中心周围肝细胞被有毒中间体淹没而死亡。剩下的肝组织进入再生模式，导致受损的小叶层迅速愈合和替换。分区再生涉及一系列相互协调的过程，对反应有严格的时空控制要求。死亡的肝细胞需要被有效清除，防止多种新抗原暴露以诱导适应性免疫系统。细胞外基质需要被快速构建以支持组织支架，但一旦新细胞形成就要分解，以防止持久的纤维化。最重要的是，起源于小叶区表达特征截然不同的肝细胞需要快速生成和重新编程，以接管中心周围肝细胞的关键功能。目前，在整个分区再生过程中，所有肝细胞类型的协调反应的空间和时间动力学仍亟待探索。
近日，以色列魏茨曼科学研究所的ShalevItzkovitz课题组在CellStemCell上发表了文章Thespatiotemporalprogramofzonalliverregenerationfollowingacuteinjury。他们研究了急性对乙酰氨基酚(APAP)中毒后小鼠肝脏再生的动力学，发现肝细胞在小叶内增殖以迅速产生缺失的细胞。新进的中心周围肝细胞在分区内重新编程，改变形态，提高蛋白质周转并上调癌胚基因。非实质细胞通过区域相关的因素对该过程进行协调。
为了研究分区重生，他们在小鼠体内注射了mg/kg的APAP引发肝脏损伤，在不同时间点对肝脏进行采样，观察到大量的中心周围坏死在48小时后达到峰值。损伤的中心周围区域在72小时后出现收缩，出现新的中心周围肝细胞，在96h后完全取代坏死组织。作者在多个时间点进行批量和单细胞RNA-seq，并进行空间转录组学分析以揭示该重生过程的分子机制。批量RNA-seq的主成分分析(PCA)显示，肝脏基因表达在6、24和48小时出现差异，在96小时回归到对照水平。批量RNA-seq数据的通路分析显示，早期免疫信号的诱导，在APAP后6和24小时达到峰值，增殖通路在APAP后48h达到高峰。肝脏代谢功能，如谷胱甘肽和细胞色素P代谢，以及静止的造血干细胞功能，在APAP后72h重新出现。单细胞RNA-seq分析表明，注射APAP后48h肝细胞丰度显著下降，与中心周围肝细胞大量坏死相一致，96小时后肝细胞丰度回归对照水平。相比之下，造血干细胞、单核细胞和巨噬细胞大量增加，在APAP注射后24-48小时达到峰值，然后下降到对照组水平。该分析显示出肝脏基因表达和多种肝细胞类型比例的重大变化，在损伤后4天就迅速恢复到控制水平。
接下来，作者开始描述不同类型肝细胞再生过程的动态分子程序，发现肝细胞可在急性肝损伤后4天恢复其分区分子特性。此外，肝细胞在小叶轴上广泛增殖，可能导致沿肝板有丝分裂压力的增加，这可能有助于迅速替换受损区域的细胞。重要的是，这种有丝分裂压力使小叶中部的肝细胞进入中心周围区域，需要对其转录状态进行重新编程。然后作者研究了小叶中肝细胞向中心周围细胞状态重编程的细胞过程，发现在界面肝细胞（肝脏损伤和未损伤区界面的细胞）具有明显的表达特征，包括在胎儿肝脏和肝细胞癌中表达的基因，这在正常的成人肝细胞中是没有的。界面肝细胞被推向中心周围区时，并不是简单地从门脉周围/小叶中状态切换到中心周围区状态。相反，它们在细胞特性上的变化与胎基因的瞬时表达、蛋白质翻译和降解的提高以及细胞形态的改变都有关。
作者还发现了肝星状细胞具有空间上的分工。区域特异性的星状细胞表达程序可能促进了急性APAP损伤后肝脏出现的免疫募集、ECM积累和分解的时间协调过程。在重生过程中，内皮细胞在不同区域呈现出特殊信号，起到调节作用。作者还研究了髓系细胞亚型的动态变化，观察到骨髓细胞大量短暂浸润，但淋巴细胞数量稳定，这也与抗原呈递水平的整体下降相一致。
总的来说，该工作使用空间分辨单细胞RNA测序(scRNA-seq)来研究急性对乙酰氨基酚(APAP)中毒后小鼠肝脏再生的动力学，发现肝细胞在肝小叶内增殖，产生有丝分裂压力，使坏死的中心区迅速再生。位于再生界面的部分肝细胞会在重新编程到中心周围状态过程中，短暂上调胎特异性基因。该研究有助于深刻理解肝分区再生的协同程序。
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