《Stem Cell Reports》：A latent activated olfactory stem cell state revealed by single-cell transcriptomic and epigenomic profiling
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本研究通过单细胞转录组（scRNA-seq）和染色质可及性（scATAC-seq）分析，结合谱系追踪技术，揭示了嗅觉上皮水平基底细胞（HBC）在损伤诱导再生过程中的动态调控机制。研究人员发现HBC中存在一种“杂交状态”（hybrid state），其特征是在静息期已具备部分损伤响应基因的染色质开放性，表明该类细胞表观遗传层面预先活化，能够快速响应损伤并启动多向分化。该研究为理解神经干细胞在组织再生中的命运决定机制提供了新视角，对再生医学具有重要启示意义。
嗅觉系统是哺乳动物神经系统中少数终身保持神经发生（neurogenesis）能力的区域之一。嗅觉上皮（olfactory epithelium, OE）的稳态维持和损伤修复依赖于两种基底细胞：在生理状态下负责持续神经发生的球状基底细胞（globose basal cells, GBCs），以及在损伤后被激活、具备多向分化潜能的水平基底细胞（horizontal basal cells, HBCs）。尽管HBC在损伤后能够高效再生神经元、支持细胞（sustentacular cells, Sus）和新的HBC，但其在激活早期如何决定细胞命运的机制尚不明确。近年来，单细胞测序技术的发展为揭示干细胞异质性和命运调控提供了有力工具，尤其在结合转录组和表观基因组分析时，能够解析基因表达背后的染色质状态变化。
本研究由Koen Van den Berge等学者牵头，通过整合单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单细胞ATAC测序（scATAC-seq）数据，结合体内谱系追踪，系统描绘了HBC在甲巯咪唑（methimazole）损伤后再生过程中的动态变化。研究不仅重构了HBC分化为成熟嗅觉感觉神经元（mOSNs）、Sus细胞和再生HBC（rHBCs）的轨迹，还发现了一类表观遗传层面“预先活化”的HBC亚群，为理解干细胞在静息期的潜伏活化状态提供了直接证据。
关键技术方法
研究使用Krt5-CreERT2; Rosa26eYFP/eYFP转基因小鼠模型，通过他莫昔芬诱导谱系标记，甲巯咪唑损伤嗅觉上皮后，在不同时间点（24小时至14天）采集细胞。利用荧光激活细胞分选（FACS）分离YFP阳性细胞，进行10x Genomics平台单细胞RNA测序和单细胞ATAC测序。数据分析采用Slingshot进行轨迹推断，tradeSeq进行时序差异表达分析，ArchR和Harmony整合多组学数据，并通过荧光原位杂交（FISH）验证关键基因表达。
研究结果
重构的单细胞谱系揭示损伤响应的动态转录程序
通过分析20,426个单细胞的转录组数据，研究团队识别出HBC激活状态（HBCs）、再生HBCs（rHBCs）、Sus细胞、GBCs、未成熟和成熟嗅觉感觉神经元（iOSNs和mOSNs）等细胞类型。轨迹推断显示，HBCs沿三条分支分化为rHBCs、Sus细胞和mOSNs。差异表达分析发现，虽然损伤初期有1,200个基因共同上调，但神经元谱系特异性激活了5,325个基因，提示神经发生涉及复杂的转录重编程。
HBCs表达谱系富集的转录因子*
研究聚焦1,532个小鼠转录因子（TFs），发现每条分化轨迹均存在TF表达级联：mOSN、Sus和rHBC谱系分别有524、231和284个TF参与。通过聚类分析，在损伤24小时后的HBCs中鉴定出19个早期峰值表达的TF，其中Ebf2与Uncx共表达于神经元倾向细胞，而Pdlim4特异性表达于Sus倾向细胞，且两者互斥。荧光原位杂交验证了这些TF在损伤后HBCs中的异质表达，表明细胞命运在激活早期即出现分化。
通过mRNA表达反卷积估计TF活性
研究进一步通过基因表达反卷积推断TF活性，发现mOSN谱系中TF活性呈时序性变化：早期（HBC阶段）以EGR1、FOS、JUNB等应激响应TF为主；中期（GBC阶段）出现HES6、EZH2、E2F1；晚期（iOSN-mOSN阶段）激活SOX11、RFX3等。多重FISH实验证实了E2f1、Ezh2、Sox11、Rfx3等在再生OE中的表达模式，而Foxa1作为先驱TF（pioneer TF）在HBCs中特异性激活。
损伤响应中转录的表观遗传预活化
通过比较静息（UI）和损伤后HBC的染色质可及性，研究发现506个损伤诱导基因在静息期已具备部分或完全开放的染色质状态（如Sprr1a、Emp1），而另一些基因（如Krt6a）则在损伤后才获得开放性。这表明部分基因在静息期已处于“表观遗传预活化”状态，可能通过先驱TF（如FOXA1）提前占据调控区域，实现快速转录激活。
单细胞染色质可及性分析揭示HBC多状态
scATAC-seq数据将HBC分为三类：静息（resting）、活化（activated）和杂交（hybrid）状态。杂交状态同时包含静息和损伤后细胞，且富集FOX家族TF结合 motif。基因活性模块评分显示，FOXA1靶基因在杂交状态中活性最高，提示FOX TF在预活化中起核心作用。
多组学整合提示潜伏活化干细胞状态
通过整合scRNA-seq和scATAC-seq数据，研究证实杂交状态对应转录组中两个HBCs*亚群（24 HPI1和24 HPI2），其标志基因（如Foxa1、Klf5）在损伤后表达上调。这些基因与上皮再生相关，且杂交状态的染色质开放性富集于组织重塑和细胞因子结合等通路，进一步支持该类细胞具备快速响应损伤的潜能。
结论与意义
本研究通过高分辨率多组学分析，揭示了HBC在损伤再生过程中存在的“潜伏活化状态”。该状态由FOX等先驱TF介导的染色质预活化特征，使静息干细胞能够快速响应损伤并启动分化程序。这一机制与肝、肌肉等组织的干细胞表观遗传记忆相似，可能为神经再生提供普遍范式。研究不仅深化了对嗅觉上皮干细胞异质性和命运决定机制的理解，也为通过调控表观遗传状态促进组织再生提供了新策略。
