【原】單細(xì)胞思路 | 第2期單細(xì)胞中的資源庫

新用戶4064dVjo 2024-11-23 發(fā)布于北京

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單細(xì)胞思路系列如約進行！整體而言有尋找發(fā)病機制、圖譜研究、分子功能研究、診斷或預(yù)測標(biāo)志物研究幾大類，上一期分享的主要是從挖掘疾病相關(guān)的細(xì)胞亞群來尋找發(fā)病機制。本期則給大家分享的單細(xì)胞思路是：單細(xì)胞圖譜類研究。

文獻一：Cell IF=45.5

Circ Res. 2024 May 24;134(11):1405-1423.

doi: 10.1161/CIRCRESAHA.123.323184

Single-Cell Transcriptome Atlas of Murine Endothelial Cells

本篇文章是圖譜研究的典范，內(nèi)容詳盡、思路清晰并且可以為科研者所用。達到了圖譜類研究的“資源型”的目的。

本文著眼于內(nèi)皮細(xì)胞圖譜，其實在發(fā)表的時候已經(jīng)有很多組織測序的文章包含內(nèi)皮細(xì)胞了，但僅僅也是包含內(nèi)皮細(xì)胞一帶而過，并沒有一篇文章是就內(nèi)皮細(xì)胞這個話題進行詳盡闡述的。而本文構(gòu)建了一個包含超過32,000個單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的內(nèi)皮細(xì)胞（EC）圖譜，涵蓋了11種小鼠組織，并識別出78個內(nèi)皮細(xì)胞亞群。

圖一整體測序概覽

闡述內(nèi)皮細(xì)胞的差異性和相似性，有兩個維度，一個是不同的血管類型的內(nèi)皮細(xì)胞（動脈、靜脈、毛細(xì)血管等），另一個是不同組織（心臟、腦、肝、腎、肺、骨骼肌等）。

圖二內(nèi)皮細(xì)胞的差異性和相似性

上面兩圖體現(xiàn)了相似性（如圖3A的聚類等）和差異性（如差異基因、轉(zhuǎn)錄因子、GSVA富集熱圖等）。

研究所有組織中所有EC亞群體進行層次聚類顯示，發(fā)現(xiàn)起源于組織類型而非血管類型主要貢獻了組織特異性的內(nèi)皮細(xì)胞異質(zhì)性。這里就很好地說明了上述兩個維度的關(guān)系。

圖三內(nèi)皮細(xì)胞層次聚類分析

接下來作者開始識別不同內(nèi)皮種類的基因以及組織特異的基因。

圖四不同組織類型內(nèi)皮細(xì)胞亞群展示

將不同組織的ECs細(xì)胞分為以上幾種類型，然后尋找以下幾種血管的ECs的特異marker：動脈、毛細(xì)血管、靜脈、淋巴。

圖五識別不同組織間

內(nèi)皮保守基因和特異性基因

對于每一種血管類型的EC，marker基因排名靠前且在80%以上的組織中都被識別的標(biāo)記基因被視為該血管類型保守的血管床標(biāo)記基因。結(jié)果發(fā)現(xiàn)毛細(xì)血管的保守標(biāo)記基因較少，突顯了毛細(xì)血管EC標(biāo)記在不同組織中的更大異質(zhì)性；而marker基因排名靠前且在少于25%所有組織中被識別的標(biāo)記基因被視為該血管類型的組織特異性血管床標(biāo)記基因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)毛細(xì)血管的組織特異性標(biāo)記基因最多，提示其適應(yīng)環(huán)境能力強。（D：紅色保守性基因，藍(lán)色組織特異性基因）。

圖六不同組織特殊內(nèi)皮細(xì)胞

此外，作者還詳細(xì)闡述不同組織類型中特殊的ECs，并且和對應(yīng)的組織器官聯(lián)系起來，例如在腸道中識別的甘油和脂肪酸攝取及代謝相關(guān)基因高表達的一群特殊ECs；在大腦中識別一群高表達Plvap的脈絡(luò)叢毛細(xì)血管ECs；在多個器官中識別出的干擾素相關(guān)基因高表達的ECs等等。

之后，作者針對代謝層面上各組織ECs的差異以及各組織內(nèi)部不同血管類型ECs差異進行詳盡闡釋；還證明其他公共數(shù)據(jù)庫中的單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)可以通過本文創(chuàng)建的EC Atlas進行分類，說明了本文對于ECs分類的普遍適用性；并且指出性別對于ECs分類影響不大。

整體而言本文宏觀闡述ECs在不同血管類型、不同組織類型的相關(guān)信息，如果說其余測序文章像是對于某一個組織或者某一個疾病ECs的review的話，本文就是針對于ECs的systematic review，是一篇資源型文章。

文獻二：Circulation IF =35.5

Circulation vol. 140,2 (2019): 147-163.

doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.118.038362

Single-Cell Analysis of the Normal Mouse Aorta Reveals Functionally Distinct Endothelial Cell Populations

第一篇文獻是對于一種細(xì)胞類型的圖譜研究，而這一篇則是對一種組織的圖譜研究。這類文章也是資源型文章，不過一般都是年份較早的時候發(fā)表的了（例如本文2019年），不過里面的基礎(chǔ)研究思路是我們面對一個組織單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)分析都要掌握的。

研究對四個完整小鼠主動脈進行酶解，以生成單細(xì)胞基因表達的圖譜，隨后對超過10,000個細(xì)胞進行了單細(xì)胞測序，識別出10種細(xì)胞群體，涵蓋了主要的動脈細(xì)胞類型，包括成纖維細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞（ECs）以及免疫細(xì)胞（如單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞）。在內(nèi)皮細(xì)胞群體中觀察到最大的細(xì)胞異質(zhì)性，具體分為三個不同的亞群。這些亞群在響應(yīng)西方飲食時表現(xiàn)出相似的基因表達變化。并通過免疫熒光標(biāo)記Vcam1和Cd36，展示了主動脈內(nèi)皮細(xì)胞群體的區(qū)域異質(zhì)性。研究提供了全面的主動脈單細(xì)胞圖譜。

1. 對于整體細(xì)胞分析

主要為降維聚類，marker基因氣泡圖、熱圖展示。其中作者還專門使用高、低深度兩種測序結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)大群細(xì)胞聚類結(jié)果差異不大，說明即使在較低的測序深度下，依然能夠有效地識別主要的血管壁細(xì)胞類型和免疫細(xì)胞群體。

圖七整體細(xì)胞分析

2. 內(nèi)皮細(xì)胞分析

接下來作者針對內(nèi)皮細(xì)胞進行亞群細(xì)分，展示marker基因，展示不同亞群通路富集結(jié)果的差異。

圖八內(nèi)皮細(xì)胞分析

其實理論上如果是要展示組織的圖譜的話應(yīng)該對于不同的細(xì)胞類型（包括血管平滑肌、免疫細(xì)胞等）都進行闡述，可能這里限于細(xì)胞數(shù)目原因結(jié)果不理想或意義不大等原因，只展示了內(nèi)皮細(xì)胞，并且標(biāo)題也就取名是血管內(nèi)皮細(xì)胞的測序研究。

3. 結(jié)合臨床說明內(nèi)皮細(xì)胞亞型的意義

結(jié)合臨床也是本文的亮點之一，在展示血管測序圖譜的基礎(chǔ)上還說明這些亞群細(xì)胞的臨床意義。

① WD（Western diet）和正常飲食相比內(nèi)皮三個亞群的收縮功能均增加。

圖八 WD條件下內(nèi)皮細(xì)胞改變

②Vcam1內(nèi)皮亞群主要在主動脈小彎側(cè)，是動脈粥樣硬化的關(guān)鍵位置

圖九 Vcam1內(nèi)皮亞群主動脈位置

③與遺傳性主動脈病相關(guān)的關(guān)鍵基因在不同血管相關(guān)細(xì)胞中的表達模式

也就是之前確認(rèn)的主動脈疾病關(guān)鍵基因在本次測序不同細(xì)胞中的表達情況展示。

圖十主動脈疾病基因的表達模式

本篇文章以組織類型為圖譜的文章，然后著力分析其中某個突破點（例如本文的內(nèi)皮細(xì)胞亞型），并分析出相關(guān)的意義（例如和臨床相聯(lián)系）。

其他文獻：

可能有同學(xué)會說“對于一個組織的單細(xì)胞就是一篇頂刊那是在19年單細(xì)胞剛出的年代！現(xiàn)在很難再發(fā)了”。那么我們想想，單細(xì)胞是已經(jīng)普遍了，但是很多新的技術(shù)還在層出不窮呀，單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組，單細(xì)胞ATAC，單細(xì)胞蛋白組等等技術(shù)都在不斷推陳出新，例如接下來兩篇文獻都是借用了單細(xì)胞ATAC進行圖譜類研究。

文獻三：Science IF =44.7

Science (New York, N.Y.) vol. 385,6713 (2024): eadk9217.

doi:10.1126/science.adk9217

Single-cell chromatin accessibility reveals malignant regulatory programs in primary human cancers

圖十一文獻概覽

本文通過對八種不同類型的腫瘤進行單細(xì)胞ATAC測序，主要得出了以下幾個重要發(fā)現(xiàn)：①腫瘤的染色質(zhì)開放性受到拷貝數(shù)變異的顯著影響，但順式調(diào)控的特征仍然保留了各癌癥類型的獨特性；②通過與腫瘤來源器官相對應(yīng)的健康組織進行比較，成功識別出在各種癌癥中“最接近健康”的細(xì)胞類型；③通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，驗證了癌癥相關(guān)基因附近的體細(xì)胞非編碼突變的重要性。

文獻四：Molecular Cell IF =14.5

Molecular cell vol. 81,23 (2021): 4924-4941.e10.

doi:10.1016/j.molcel.2021.10.013

A multi-omic single-cell landscape of human gynecologic malignancies

圖十二文獻概覽

研究通過人類卵巢和子宮內(nèi)膜腫瘤的匹配轉(zhuǎn)錄組（scRNA-seq）和染色質(zhì)可及性（scATAC-seq）數(shù)據(jù)定量關(guān)聯(lián)染色質(zhì)可及性變化與基因表達之間的關(guān)系，揭示了惡性細(xì)胞獲取了未注釋的調(diào)控元件、重要的驅(qū)動癌癥特征通路和轉(zhuǎn)錄因子，并突顯了腫瘤內(nèi)部異質(zhì)性的重要性。

圖十三腫瘤特異性遠(yuǎn)端調(diào)控模式探索

主要是通過scATAC-seq和scRAN-seq聯(lián)合分析（A、B），體現(xiàn)腫瘤亞群的關(guān)鍵高表達基因和可及性區(qū)域（C），進一步提取腫瘤亞群的基因-峰關(guān)聯(lián)對尋找特征的基因以及其可能的關(guān)鍵調(diào)控區(qū)域（D、E），并通過分析關(guān)鍵調(diào)控區(qū)域的情況獲取轉(zhuǎn)錄因子（F）。

總結(jié)一下

本期推送旨在單細(xì)胞圖譜研究做了文獻分享，這類型文章可以作為很好的資源庫，適合具有人類樣本或者多種類組織來源、多維度測序方式能力的團隊。可以分為一下幾種類型：