全球首個奶牛多組織單細胞表達圖譜誕生

中國農業大學動物科學技術學院教授孫東曉團隊構建了覆蓋奶牛59種組織、179萬個細胞的多組織單細胞表達圖譜，為解析牛重要性狀遺傳調控機制、推進精準育種及探索人類疾病的牛模型研究提供了重要資源。9月5日，相關研究成果發表于《自然-遺傳》。

作為人類最早馴化的家畜之一，奶牛在全球糧食安全與農業生態系統中占據關鍵地位。傳統研究多聚焦于組織層面的轉錄組分析，難以揭示細胞異質性對奶牛產奶、繁殖、抗病等重要性狀的調控作用。本研究突破技術瓶頸，采用單細胞轉錄組測序技術，對1頭荷斯坦奶牛胎兒、4頭犢牛和10頭成年荷斯坦奶牛（含公牛、母牛）的59種組織進行深度測序，最終篩選出179萬個高質量細胞，成功注釋出131種細胞類型，涵蓋免疫細胞、內皮細胞、上皮細胞、基質細胞、神經細胞、肌肉細胞和生殖細胞7大細胞譜系。

團隊深入分析乳腺上皮細胞，發現乳腺上皮細胞分為8個亞型。其中6個腔分泌細胞亞型高表達 ELF5、LTF 等標記基因，ME0-3亞型因高表達泌乳相關基因，與乳汁生物合成密切相關；腔激素響應細胞亞型表達ESR1、PGR、PRLR等激素受體基因，可能通過激素信號調控乳腺泌乳功能；基底肌上皮細胞亞型高表達OXTR、PLCB1 等催產素信號通路基因，參與乳汁排出過程中的乳腺收縮。通過整合1.6萬頭荷斯坦奶牛的數據發現，興奮性神經元與乳脂產量、乳脂肪酸顯著相關，視網膜無長突細胞和骨骼肌細胞與乳脂肪酸相關，為奶牛產奶性狀遺傳調控機制解析提供了新思路。

團隊解析了奶牛4個胃的細胞異質性，發現瘤胃、網胃、瓣胃的上皮細胞中氨基酸和脂肪酸降解相關基因顯著上調，與前胃在反芻動物纖維消化、能量代謝中的核心功能高度契合，瘤胃棘細胞在脂肪酸吸收中發揮關鍵作用；并通過跨物種比較，揭示了反芻動物皺胃與人類胃上皮細胞的功能同源性，有力支持了“前胃起源于食道，皺胃起源于十二指腸”的多起源假說，皺胃中胃酸分泌和蛋白質加工相關基因被顯著激活，為理解反芻動物獨特消化機制及物種間消化系統演化提供了分子證據。

在奶牛健康與疾病研究方面，團隊聚焦副結核病這一影響牛養殖業的重要疾病，發現腸道杯狀細胞發揮重要作用，杯狀細胞與免疫細胞間存在APP-CD74、MIF-CD74_CXCR4等配體-受體通路的跨腸道段共享交互作用，GC5亞型主要分布于空腸，其標記基因在結核與副結核相關的529個基因中顯著富集；跨物種遺傳力分析發現，人炎癥性腸病、乳糜瀉的遺傳力在奶牛空腸、網胃組織及GC5亞型中顯著富集，為利用牛模型研究人類腸道疾病提供了理論支撐。

孫東曉表示，該研究填補了國際上奶牛單細胞生物學領域的空白，為牛遺傳育種、免疫研究及比較醫學提供了重要基礎數據。其技術路線與分析框架也為其他家畜單細胞圖譜構建提供了參考，對推動畜禽種業育種技術創新、保障農業動物遺傳資源利用具有重要意義。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-025-02329-5