从无颌类七鳃鳗到人类，脊椎动物胃肠道在约5亿年间形成了复杂的消化、屏障与免疫功能。不同细胞类型如何出现、保留或分化？已有基因程序与新基因的产生分别发挥了什么作用？一张跨物种单细胞与时空转录组图谱给出了新的线索。

华大生命科学研究院联合中国水产科学研究院黄海水产研究所、厦门大学、重庆医科大学等，在Cell Genomics在线发表研究成果。

团队整合华大智造单细胞转录组（scRNA-seq）与时空组学技术（Stereo-seq），构建了覆盖10个物种、跨越约5亿年脊椎动物演化的胃肠道图谱，共纳入近百万个高质量细胞。

其中，研究人员对白点竹鲨、灰多鳍鱼和非洲肺鱼的胃肠道组织构建了6个Stereo-seq时空数据集。在实验端，单细胞RNA测序采用华大智造DNBelab C系列3′ RNA测序进行文库构建，并使用Tx平台完成测序；空间转录组采用华大智造时空组学技术Stereo-seq，相关文库使用T7或G400平台完成测序。单细胞转录组用于识别细胞类型和状态，Stereo-seq补充这些细胞在组织中的位置；荧光原位杂交（FISH）和透射电镜（TEM）分别用于验证关键空间分布与细胞超微结构。

• 研究对象：覆盖10个物种，从无颌类七鳃鳗到人类，跨越约5亿年脊椎动物演化。

• 核心技术：华大智造单细胞转录组（scRNA-seq）与时空组学技术（Stereo-seq）。

• 数据规模：整合近百万个高质量细胞，并在3个物种中构建6个Stereo-seq空间数据集。

三项关键发现

01 已有基因模块的重用与新基因共同推动细胞创新

文章将能够在不同物种中协同表达、共同执行功能的一组基因概括为保守基因共表达模块（CCM）。

研究发现，间充质细胞、内皮细胞和肠内分泌细胞的核心模块在约5亿年间保持了较高的保守性；在部分模块中，旁系同源基因还可以接替发生变化的基因，维持模块功能。相比之下，上皮与免疫细胞表现出更强的演化可塑性，既可通过已有模块的拆分、重组和表达调节形成新的细胞状态，也受到新基因出现和新模块组装的推动。

例如，纤毛细胞的丢失与模块解体相关，而簇细胞（tuft cell）和BEST4+吸收细胞的出现则涉及新基因保留或新模块构建。因此，胃肠道细胞创新来自已有模块重组、新基因产生和新模块组装的共同作用。

02 肺鱼肠道呈现有组织的早期黏膜免疫形态

非洲肺鱼是四足动物现存最近缘类群之一，是研究脊椎动物由水生向陆生演化转变的重要现生类群。研究团队在肺鱼肠道中识别出5个淋巴细胞聚集区（LA1-LA5）。

此前研究观察到肺鱼肠道中的T细胞和B细胞多为混杂分布。本研究利用华大智造时空组学技术Stereo-seq进行空间定位后发现，LA2-LA5仍以混杂分布为主，但最大的聚集区LA1出现了清晰分区：T细胞集中在核心区域，B细胞分布于外围。FISH进一步验证了这一空间结构，其组织方式与哺乳动物高度组织化的淋巴结构具有相似之处。

跨物种整合分析还显示，肺鱼T细胞群体分别分布于偏鱼类和偏人类的两类转录状态。其中，偏人类的状态更多聚集在淋巴细胞富集区域，提示肺鱼可能保留了从弥散免疫向有组织免疫过渡的中间特征。

这些结果提示，具有T/B细胞空间分区的肠道黏膜免疫结构可能在四足动物出现之前已经形成。但这一发现指向的是“有组织的肠道黏膜免疫形态”，并不等同于确定了适应性免疫本身的起源时间。作者据此提出，肠道可能是适应性免疫组织早期演化的重要场所。

图1 肺鱼肠道淋巴细胞聚集区的空间定位与T/B细胞分区（Guo et al., 2026，图4）

03 鱼类胃中已出现壁细胞样与主细胞样功能状态

非哺乳动物脊椎动物的胃中存在泌酸泌酶细胞（oxynticopeptic cell），能同时分泌胃酸和胃蛋白酶原；在哺乳动物中，这两项功能分别由壁细胞和主细胞承担。这种从祖先型多功能细胞向专业化分工演化的模型，为理解胃细胞类型的形成提供了线索。

研究在具有功能性胃的非哺乳动物数据集中识别出2-5个泌酸泌酶细胞亚型。跨物种整合后，这些亚型可归纳为两类保守功能状态：一类偏向酸分泌，呈壁细胞样特征；另一类偏向酶合成，呈主细胞样特征。拟时序分析推断出从ATP4A高表达（偏泌酸）的壁细胞样状态到PGC高表达（偏泌酶）的主细胞样状态的连续变化轴，但这一计算结果不能替代直接的谱系追踪证据。

华大智造时空组学技术Stereo-seq在白点竹鲨胃腺中观察到两类状态的清晰分区，FISH则在灰多鳍鱼胃组织中验证了ATP4A和PGC的表达。这些状态可能在不同生理条件下保持稳定，也可能随消化需求发生转换，目前仍需进一步验证。

图2 泌酸泌酶细胞向壁细胞和主细胞分化的演化模型（Guo et al., 2026，图6H）

总结与研究边界

这张覆盖10个物种、近百万细胞的胃肠道图谱支持“模块化重用”是脊椎动物胃肠道细胞创新的重要机制，同时也显示新基因出现、新模块组装和空间结构重塑同样参与演化。肺鱼肠道中的T/B细胞分区提示，有组织的肠道黏膜免疫形态可能早于四足动物出现；鱼类泌酸泌酶细胞的不同功能状态，则为理解祖先型多功能细胞如何演化为哺乳动物壁细胞和主细胞的专业化分工提供了过渡线索。

研究仍存在边界：当前物种覆盖缺少两栖类和爬行类，部分关键演化节点尚未被直接观察；CCM主要依据转录组共表达推断，属于概念性、非因果性的分析框架；部分模块还需要更多数据和功能实验验证。因此，这项工作提供的是解释胃肠道细胞演化的新框架，而不是对所有演化机制的最终定论。

数据见胃肠道演化图谱：https://db.genomics.cn/stomics/gitomicsdb/

中国水产科学研究院黄海水产研究所陈松林院士、华大生命科学研究院范广益研究员、重庆医科大学孙凤明副研究员以及厦门大学瞿清明教授为论文共同通讯作者，华大生命科学研究院郭立东副研究员、厦门大学仝百川博士、华大生命科学研究院高晓敏硕士、聊城市人民医院贾晓东副研究员、华大生命科学研究院刘响博士等为论文共同第一作者。