在嬰幼兒呼吸道健康的“頭號(hào)殺手”，呼吸道合胞病毒（RSV）的研究戰(zhàn)場(chǎng)上，科學(xué)家們一直面臨著一個(gè)核心困境：常用的實(shí)驗(yàn)小鼠對(duì)RSV不敏感，無(wú)法模擬人類(lèi)感染后的嚴(yán)重癥狀。這使得疫苗和藥物研發(fā)屢屢受挫。然而，一種名為棉鼠 的野生嚙齒類(lèi)動(dòng)物，因其感染RSV后能高度模擬人類(lèi)疾病，被視為該領(lǐng)域的“黃金模型”，但其遺傳背景卻一直是個(gè)“黑箱”。

近日，一項(xiàng)由高福院士聯(lián)合深圳市兒童醫(yī)院麻曉鵬院長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院微生物研究所趙欣副研究員、中國(guó)疾病預(yù)防控中心盧選成研究員等人的最新研究成功繪制了棉鼠的完整基因組圖譜，并首次通過(guò)動(dòng)態(tài)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，實(shí)時(shí)解析了RSV感染肺部引發(fā)的“細(xì)胞戰(zhàn)爭(zhēng)”全過(guò)程。這項(xiàng)研究不僅為我們提供了無(wú)比珍貴的研究“地圖”，更揭示了從棉鼠到人類(lèi)高度保守的免疫應(yīng)答機(jī)制與病毒致病原理，為下一代抗RSV策略的誕生奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該研究題為“A complete Sigmodon hispidus genome and dynamic single-cell transcriptomics reveal evolutionarily conserved responses to RSV infection”，發(fā)表在《Science Translational Medicine》雜志。

RSV的全球負(fù)擔(dān)與科研瓶頸

呼吸道合胞病毒（RSV）是導(dǎo)致全球嬰幼兒及老年人下呼吸道感染的主要原因，每年造成數(shù)千萬(wàn)例病例和數(shù)萬(wàn)至數(shù)十萬(wàn)例死亡，帶來(lái)沉重的公共衛(wèi)生負(fù)擔(dān)。盡管其危害巨大，但近七十年來(lái)，針對(duì)RSV的特效藥和高效疫苗研發(fā)卻步履維艱。這背后的關(guān)鍵原因之一，在于缺乏能夠精準(zhǔn)模擬人類(lèi)感染過(guò)程的理想動(dòng)物模型。

“黃金模型”棉鼠的困境與機(jī)遇

標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室小鼠對(duì)RSV天然不敏感，病毒感染后癥狀輕微，無(wú)法用于真實(shí)評(píng)估藥物和疫苗效果。而棉鼠，則被發(fā)現(xiàn)對(duì)RSV高度易感，其肺部病理變化與人類(lèi)患兒驚人地相似，因此成為RSV研究的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”動(dòng)物模型。然而，由于棉鼠并非傳統(tǒng)模式生物，科學(xué)家們一直缺乏其高質(zhì)量的參考基因組。沒(méi)有這份“遺傳密碼”，研究人員就如同在黑暗中摸索，無(wú)法精確定位關(guān)鍵的致病基因和通路，也無(wú)法將棉鼠的研究成果與人類(lèi)生物學(xué)直接關(guān)聯(lián)，極大地限制了這一寶貴模型的潛力。

S.hispidus的染色體水平基因組和進(jìn)化地位

為破解棉鼠（Sigmodon hispidus）作為RSV理想動(dòng)物模型的遺傳學(xué)基礎(chǔ)，本研究成功完成了其染色體級(jí)別高質(zhì)量基因組的構(gòu)建。研究人員采用PacBio HiFi長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序、Hi-C技術(shù)及二代測(cè)序進(jìn)行組裝，獲得了一個(gè)大小為2.67 Gb、包含26對(duì)染色體的高質(zhì)量基因組，其Scaffold N50達(dá)到118.71 Mb。評(píng)估顯示該基因組完整度高，共注釋出21,620個(gè)高可信度蛋白編碼基因。

為進(jìn)一步明確棉鼠的進(jìn)化地位及其與人類(lèi)的保守性，研究者進(jìn)行了進(jìn)化基因組學(xué)分析。系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)顯示，棉鼠與常用的實(shí)驗(yàn)小鼠和大鼠處于不同的進(jìn)化分支。更重要的是，基因組共線性分析揭示了棉鼠與人類(lèi)染色體之間存在廣泛的對(duì)應(yīng)關(guān)系，特別是其3號(hào)染色體與人類(lèi)X染色體關(guān)聯(lián)緊密，暗示了其在進(jìn)化上的保守性。這些發(fā)現(xiàn)從遺傳學(xué)層面有力支撐了棉鼠作為人類(lèi)RSV感染研究“黃金模型”的優(yōu)越性。

棉鼠為何是RSV研究的“天選之子”？

科學(xué)家們通過(guò)基因組比對(duì)揭示了關(guān)鍵奧秘：棉鼠與人類(lèi)在基因功能模塊上存在高度相似性。研究發(fā)現(xiàn)，棉鼠擁有704個(gè)擴(kuò)張基因家族（主要富集于細(xì)胞死亡、糖代謝等通路）和2170個(gè)收縮基因家族。更重要的是，跨21個(gè)組織的基因表達(dá)譜分析顯示，棉鼠與人類(lèi)在絕大多數(shù)組織中表現(xiàn)出保守的基因表達(dá)模式。

這種保守性在肺部尤為突出：研究人員鑒定出兩個(gè)在棉鼠和人類(lèi)肺組織中共同高表達(dá)的基因模塊。其中一個(gè)主導(dǎo)肺組織發(fā)育，另一個(gè)掌控免疫應(yīng)答，二者均與炎癥反應(yīng)和感染過(guò)程密切相關(guān)。此外，棉鼠體內(nèi)多種潛在RSV受體（如CX3CR1、TLR4等）的組織分布也與人類(lèi)相似。這些從基因到功能的層層證據(jù)，完美解釋了為何棉鼠能如此精準(zhǔn)地模擬人類(lèi)RSV感染過(guò)程。

呼吸道細(xì)胞圖譜：棉大鼠呼吸道合胞病毒感染后

為揭示RSV感染的動(dòng)態(tài)過(guò)程，研究人員在感染后第2、5、8天對(duì)棉鼠鼻腔和肺部組織進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，成功繪制出呼吸道細(xì)胞圖譜。研究在肺部精準(zhǔn)鑒定出22種主要細(xì)胞類(lèi)型，包括上皮細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞、淋巴細(xì)胞和髓系細(xì)胞四大類(lèi)。其中基質(zhì)細(xì)胞占比高達(dá)42%，內(nèi)皮細(xì)胞是最豐富的類(lèi)型。

更令人驚喜的是，在鼻腔組織中發(fā)現(xiàn)了33種細(xì)胞類(lèi)型，不僅包含常見(jiàn)免疫細(xì)胞，還識(shí)別出分泌細(xì)胞、嗅覺(jué)相關(guān)神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞等特殊細(xì)胞。這些細(xì)胞類(lèi)型與人類(lèi)呼吸道細(xì)胞高度對(duì)應(yīng)。研究還發(fā)現(xiàn)，Bpifb3等抗菌蛋白在感染早期顯著上調(diào)。這份超高分辨率的“細(xì)胞地圖”，為了解RSV感染提供了前所未有的視角。

在病毒捕獲的基礎(chǔ)上，在單細(xì)胞水平上識(shí)別RSV 靶細(xì)胞

通過(guò)單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)成功繪制了RSV在棉鼠體內(nèi)的精準(zhǔn)靶細(xì)胞圖譜。研究發(fā)現(xiàn)：在鼻腔中，纖毛細(xì)胞和分泌細(xì)胞是主要靶點(diǎn)，同時(shí)星形膠質(zhì)細(xì)胞也攜帶高病毒載量，提示RSV可能存在神經(jīng)侵襲能力。在肺部，Club細(xì)胞和間皮細(xì)胞成為新的關(guān)鍵靶點(diǎn)，而肺泡區(qū)感染主要集中于AT1細(xì)胞。

研究還發(fā)現(xiàn)兩個(gè)重要現(xiàn)象：RSV感染會(huì)誘導(dǎo)肺泡II型細(xì)胞向I型細(xì)胞分化，這可能是肺部損傷的新機(jī)制；同時(shí)，高病毒載量會(huì)顯著抑制宿主細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄和翻譯活動(dòng)，揭示了病毒劫持宿主細(xì)胞資源的分子機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)為理解RSV致病機(jī)制提供了全新視角。

RSV感染引發(fā)呼吸道細(xì)胞"大洗牌"與關(guān)鍵靶點(diǎn)確認(rèn)

研究人員進(jìn)一步揭示了RSV感染期間的動(dòng)態(tài)變化：肺部AT1細(xì)胞和免疫細(xì)胞比例顯著改變，鼻腔基底細(xì)胞減少而免疫細(xì)胞增多。單細(xì)胞分析顯示幾乎所有呼吸道細(xì)胞都啟動(dòng)抗病毒應(yīng)答，上皮細(xì)胞也表現(xiàn)出強(qiáng)大防御能力。

研究發(fā)現(xiàn)CX3CR1和TLR4是保守的RSV感染促進(jìn)受體，同時(shí)篩選出8個(gè)宿主限制因子（如ISG20）和5個(gè)促進(jìn)因子（如Pmel）。其中Pmel表現(xiàn)出最強(qiáng)的感染促進(jìn)作用，為開(kāi)發(fā)新型抗RSV藥物提供了重要靶點(diǎn)。

總之，本研究成功構(gòu)建棉鼠高質(zhì)量基因組，首次揭示其與人類(lèi)在進(jìn)化、基因表達(dá)和細(xì)胞組成上的高度保守性，完美解釋其作為RSV理想模型的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)單細(xì)胞圖譜精準(zhǔn)鎖定病毒靶細(xì)胞、關(guān)鍵受體及宿主因子，為RSV致病機(jī)制研究和藥物靶點(diǎn)開(kāi)發(fā)提供了寶貴資源。

來(lái)源：https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adw7535

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