全球首个奶牛多组织单细胞表达图谱诞生

中国农业大学动物科学技术学院教授孙东晓团队构建了覆盖奶牛59种组织、179万个细胞的多组织单细胞表达图谱，为解析牛重要性状遗传调控机制、推进精准育种及探索人类疾病的牛模型研究提供了重要资源。9月5日，相关研究成果发表于《自然-遗传》。

作为人类最早驯化的家畜之一，奶牛在全球粮食安全与农业生态系统中占据关键地位。传统研究多聚焦于组织层面的转录组分析，难以揭示细胞异质性对奶牛产奶、繁殖、抗病等重要性状的调控作用。本研究突破技术瓶颈，采用单细胞转录组测序技术，对1头荷斯坦奶牛胎儿、4头犊牛和10头成年荷斯坦奶牛（含公牛、母牛）的59种组织进行深度测序，最终筛选出179万个高质量细胞，成功注释出131种细胞类型，涵盖免疫细胞、内皮细胞、上皮细胞、基质细胞、神经细胞、肌肉细胞和生殖细胞7大细胞谱系。

团队深入分析乳腺上皮细胞，发现乳腺上皮细胞分为8个亚型。其中6个腔分泌细胞亚型高表达 ELF5、LTF 等标记基因，ME0-3亚型因高表达泌乳相关基因，与乳汁生物合成密切相关；腔激素响应细胞亚型表达ESR1、PGR、PRLR等激素受体基因，可能通过激素信号调控乳腺泌乳功能；基底肌上皮细胞亚型高表达OXTR、PLCB1 等催产素信号通路基因，参与乳汁排出过程中的乳腺收缩。通过整合1.6万头荷斯坦奶牛的数据发现，兴奋性神经元与乳脂产量、乳脂肪酸显著相关，视网膜无长突细胞和骨骼肌细胞与乳脂肪酸相关，为奶牛产奶性状遗传调控机制解析提供了新思路。

团队解析了奶牛4个胃的细胞异质性，发现瘤胃、网胃、瓣胃的上皮细胞中氨基酸和脂肪酸降解相关基因显著上调，与前胃在反刍动物纤维消化、能量代谢中的核心功能高度契合，瘤胃棘细胞在脂肪酸吸收中发挥关键作用；并通过跨物种比较，揭示了反刍动物皱胃与人类胃上皮细胞的功能同源性，有力支持了“前胃起源于食道，皱胃起源于十二指肠”的多起源假说，皱胃中胃酸分泌和蛋白质加工相关基因被显著激活，为理解反刍动物独特消化机制及物种间消化系统演化提供了分子证据。

在奶牛健康与疾病研究方面，团队聚焦副结核病这一影响牛养殖业的重要疾病，发现肠道杯状细胞发挥重要作用，杯状细胞与免疫细胞间存在APP-CD74、MIF-CD74_CXCR4等配体-受体通路的跨肠道段共享交互作用，GC5亚型主要分布于空肠，其标记基因在结核与副结核相关的529个基因中显著富集；跨物种遗传力分析发现，人炎症性肠病、乳糜泻的遗传力在奶牛空肠、网胃组织及GC5亚型中显著富集，为利用牛模型研究人类肠道疾病提供了理论支撑。

孙东晓表示，该研究填补了国际上奶牛单细胞生物学领域的空白，为牛遗传育种、免疫研究及比较医学提供了重要基础数据。其技术路线与分析框架也为其他家畜单细胞图谱构建提供了参考，对推动畜禽种业育种技术创新、保障农业动物遗传资源利用具有重要意义。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-025-02329-5