中文名称：单核多组学联合图谱解析奶山羊乳腺泌乳退化期腔上皮细胞谱系可塑性与调控网络

期刊：Advanced Science 

影响因子：14.1  

时间：2026.07

DOI: 10.1002/advs.76753

2026年7月，西北农林科技大学刘军团队重磅成果登陆国际权威期刊Advanced Science（IF=14.1），研究创新性整合 GWAS、单细胞核转录组 （snRNA-seq）、单细胞核染色质开放组 （snATAC-seq）和空间转录组四维技术体系，系统破解奶山羊乳腺泌乳遗传调控难题！

诺禾致源为本研究提供单细胞转录组和ATAC从样本制备到测序的一站式服务，助力多组学数据高质量产出。

1.行业现存研究瓶颈，四大痛点亟待突破

在奶山羊泌乳遗传育种领域，传统研究手段长期存在难以规避的短板，制约着分子育种落地：

1.GWAS变异功能解读困难

GWAS 能够筛选大量与泌乳性状相关的 SNP，但绝大多数变异位于非编码区，无法明确其作用的靶细胞与调控机制，导致基因型到表型之间的因果链条断裂。

2.Bulk测序掩盖细胞异质性

常规 Bulk 测序以组织整体为单位，平均化处理掩盖了组织内部的细胞异质性，难以锁定真正调控泌乳功能的关键细胞亚型，也无法区分不同细胞类型对泌乳表型的差异化贡献。

3.单一组学数据维度不足

单一转录组数据缺少表观调控信息，很难完整解释基因的时空特异性激活规律；缺乏染色质可及性、DNA 甲基化等多组学维度的交叉验证，调控机制推断往往停留在相关性层面。

4.物种特异性整合研究范式缺失

尽管人和模式动物的乳腺单细胞研究已有大量积累，但奶山羊泌乳与退化周期的单细胞多组学、空间图谱联合 GWAS 的整合研究体系依旧空白，缺少能够系统连接遗传变异、细胞功能与泌乳表型的成熟研究范式。

针对以上痛点，本研究搭建起四维整合分析方案，打通从遗传变异到细胞功能、再到泌乳表型的完整研究链路：

? snATAC-seq 挖掘细胞特异性顺式调控元件，作为 GWAS 非编码 SNP 的功能载体；

? snRNA-seq 匹配染色质开放区域对应的靶基因表达，串联 ‘变异 — 染色质开放—基因表达’的调控链路

? 空间转录组锁定功能细胞在乳腺腺泡、小叶中的真实空间分布；

? 谱系轨迹、基因调控网络、细胞通讯解析泌乳周期细胞动态分化；

? 跨物种单细胞比对挖掘泌乳调控的进化保守与物种特有机制。

2.分层递进研究设计，全方位解析奶山羊乳腺泌乳机制

阶段1：构建泌乳/干奶期单核多组学乳腺细胞全景图谱

研究选取 3 只泌乳期、3 只干奶期萨能奶山羊乳腺组织，同步开展单细胞核转录组和表观组测序：snRNA-seq 捕获 64199 个细胞核、snATAC-seq 捕获 78984 个细胞核，并搭配 Stereo-seq 空间转录组完成组织空间图谱绘制。

研究共注释出 18 类乳腺细胞，其中腔上皮细分 7 大关键亚型：

? 干性祖细胞 LASP4：全周期持续存在，是乳腺上皮分化的源头干细胞；

? 三大泌乳分泌细胞：Lactocytes1（主导乳蛋白合成）、Lactocytes2（主导乳脂合成）、Lactocytes3（调控腺泡形态与细胞连接）；

? 激素感受细胞 LHS；同时包含基底肌上皮、成纤维细胞、各类免疫细胞、内皮细胞等基质细胞。

借助 H&E 组织染色与 Cell2Location 空间反卷积验证，LASP4 祖细胞、三类泌乳分泌细胞在乳腺小叶内分区富集，直观证实乳腺细胞存在显著空间异质性。

阶段2：GWAS联合snATAC，锁定各泌乳性状专属靶细胞

该模块解决 GWAS “遗传变异找不到对应功能细胞” 的行业难题，是本研究最核心突破：

1. 数据集基础：整合已发表 245 个奶山羊泌乳显著 GWAS-SNP，涵盖乳产量、乳蛋白率、乳脂率、泌乳持续力、体细胞评分等全部核心经济性状；提取各细胞亚型独有的染色质开放峰，搭建细胞特异性顺式元件数据库。

2. 富集分析明确性状专属细胞：通过 Fisher 精确检验证实 GWAS 变异存在极强细胞亚型偏好性：

? 乳产量（MY）相关变异特异性富集于 LASP4 祖细胞开放染色质区域；

? 乳蛋白率（PP）变异集中富集在 Lactocytes1 细胞；

? 乳脂率（FP）变异显著富集 Lactocytes2 细胞。

该结论推翻了 “所有乳腺上皮共同调控泌乳” 的笼统认知，证明不同泌乳经济性状由完全独立的细胞亚型主导。

3. 主效基因调控特征验证：乳脂主效基因DGAT1的开放染色质峰同时存在于 LASP4 与三类泌乳细胞；乳蛋白核心基因CSN2开放区域富集全部泌乳分泌细胞；而调控产奶量的CLDN7、NPC等关联 SNP 仅在 LASP4 祖细胞中开放，揭示祖细胞通过分化进程间接调控整体产奶能力。

4. 转录因子调控通路完整闭环：在 GWAS 富集的细胞开放区域挖掘关键 TF 结合基序：

? LASP4 祖细胞富集 SMAD、FOS::JUND，负责维持干细胞干性与上皮分化；

? Lactocytes1 富集泌乳经典核心转录因子 STAT5A，驱动乳蛋白合成；

? Lactocytes2 富集 FOXO、FKH2 家族，调控乳脂合成代谢。

完整构建 “GWAS 变异→细胞特异性染色质开放改变→转录因子结合异常→靶基因表达波动→泌乳表型差异” 的遗传调控通路。 

阶段3：单细胞多组学解析上皮谱系分化动态，阐释性状发育底层逻辑

GWAS 仅能定位变异所属细胞，本研究进一步解析细胞分化轨迹，补齐泌乳性状形成的发育生物学机制：

1. CytoTRACE 干性打分验证：LASP4 是乳腺全周期干性最强的全能祖细胞，所有腔上皮细胞均由其分化而来。

2. Slingshot 伪时序重建两套生理分化轨迹：

? 干奶期单一分化路径：LASP4 → LASP2 → LHS 激素感受细胞，介导乳腺退化与组织重塑；

? 泌乳期三条并行分化分支，平衡乳汁成分合成：

① LASP4→Lactocytes2→LHS（激素响应通路）

② LASP4→Lactocytes2→Lactocytes3（乳脂合成 + 腺泡结构建成）

③ LASP4→Lactocytes1→Lactocytes3（乳蛋白合成通路）

3. scMEGA 算法构建谱系特异性基因调控网络（GRN），锁定各分化分支核心枢纽 TF，并通过 siRNA 体外敲低实验完成功能验证：

? 所有泌乳分泌分支共享核心 TF：THAP11，主导 LASP4 向泌乳细胞定向分化；

? 乳脂分化分支关键调控因子：SP1、FOXO 家族；

? 乳蛋白分化分支核心调控因子：ELF3、STAT5；

? LHS 激素细胞保守调控 TF：EBF3、TFEB。

阶段4：细胞通讯+跨物种进化分析，拓宽泌乳遗传调控全局视角

1. CellChat 配受体互作解析微环境调控网络，补充 GWAS 未覆盖的旁分泌调控机制：

? 干奶期依靠 AREG-EGFR 信号通路完成乳腺导管重塑；

? 泌乳期 SPP1、BMP、IGF、TGF-β 信号协同驱动 LASP4 祖细胞向泌乳细胞定向分化；

基质细胞、免疫细胞通过细胞间通讯信号间接调控上皮泌乳功能，解释大量微效多基因的微环境作用模式。

2. 六物种跨物种单细胞比对（山羊 / 牛 / 猪 / 人 / 猴 / 小鼠）揭示泌乳进化规律：

? LHS 激素感受细胞进化速率最快，是不同物种乳汁成分差异的核心来源；基质、肌上皮细胞调控网络高度进化保守；

? Lactocytes1 乳蛋白细胞、Lactocytes2 乳脂细胞为家畜通用泌乳功能单元，是哺乳动物共有的核心泌乳细胞亚型。

3.建立研究新范式，解锁奶山羊泌乳育种新认知

本研究突破传统技术局限，创新构建遗传变异—细胞功能—泌乳表型的完整闭环研究范式。梳理出清晰的调控逻辑：GWAS非编码SNP变异，通过改变特定细胞染色质开放状态、调控转录因子结合，影响靶基因表达，重塑乳腺祖细胞分化进程，最终造成产奶量、乳脂、乳蛋白等泌乳性状的差异化表现。

该成果为反刍动物非编码变异功能解析提供了可行研究路径，将奶山羊分子育种从位点筛选阶段，升级为精准的细胞通路靶向育种。同时，这套标准化多组学联合分析体系可复用至奶牛、水牛等畜禽研究，为家畜精准泌乳育种提供了全新、可落地的研究范式。

诺禾致源依托10xGenomics和华大C4平台单细胞转录组+ATAC双组学联合测序成熟技术体系，可同步获取单细胞基因表达与染色质开放调控信息，适配转录+表观联合研究需求，高效破解非编码变异功能解析、细胞调控机制挖掘等科研难点，适配动植物多组学深度研究。