單細(xì)胞RNA-seq技術(shù)已經(jīng)在繪制器官基因表達(dá)譜研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，但目前很難系統(tǒng)地鑒定和定位單個(gè)器官中所有分子細(xì)胞的類型，并創(chuàng)建完整的分子細(xì)胞圖譜。近期發(fā)表的研究成果中，多個(gè)細(xì)胞類型特異性標(biāo)記分子被識(shí)別出來(lái)，為細(xì)胞類型的分子定義和功能研究提供了幫助。

近日，美國(guó)斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用單細(xì)胞RNA-seq分析創(chuàng)建了一個(gè)全面的成人肺分子細(xì)胞圖譜。該研究共對(duì)人類肺部組織和循環(huán)血液中的約75,000個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了測(cè)序，并結(jié)合多方面的細(xì)胞注釋方法，鑒定出肺部的58種細(xì)胞類型。該研究成果已發(fā)表在頂級(jí)期刊Nature上，文章題為“A molecular cell atlas of the human lung from single-cell RNA sequencing”。

文章發(fā)表于Nature期刊

研究團(tuán)隊(duì)獲取了人肺部的正常組織，包括支氣管（近端）、細(xì)支氣管（中端）和肺泡（遠(yuǎn)端）區(qū)域以及外周血。樣本處理成細(xì)胞懸液后，被分為上皮細(xì)胞（EPCAM+）、內(nèi)皮細(xì)胞/免疫細(xì)胞（CD31+/CD45+）和基質(zhì)細(xì)胞（EPCAM-、CD31-、CD45-）。該研究利用10x Chromium發(fā)現(xiàn)罕見(jiàn)細(xì)胞類型?，再通過(guò)SmartSeq2獲得更深入的轉(zhuǎn)錄信息。通過(guò)基于液滴和孔板的單細(xì)胞RNA測(cè)序（droplet- and plate-based single-cell RNA sequencing），研究團(tuán)隊(duì)對(duì)所有肺組織間室和循環(huán)血液中的約75,000個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了測(cè)序，結(jié)合多種細(xì)胞注釋方法，最終繪制了一個(gè)全面的人肺分子細(xì)胞圖譜。

該圖譜揭示了人類肺部58個(gè)細(xì)胞群的基因表達(dá)譜和解剖位置，包括45種已知細(xì)胞類型中的41種和14種未知細(xì)胞類型。這58種分子類型細(xì)胞包括15種上皮細(xì)胞，9種內(nèi)皮細(xì)胞，9種基質(zhì)細(xì)胞和25種免疫細(xì)胞。

圖1. 通過(guò)迭代聚類發(fā)現(xiàn)組織細(xì)胞的scRNA-seq譜。來(lái)源：Nature

該圖譜定義了幾乎所有典型肺細(xì)胞類型（91%）的全基因組表達(dá)譜，從最豐富的（毛細(xì)血管，約占肺細(xì)胞的23%）到極其罕見(jiàn)的（離子細(xì)胞，約占0.01%）。其中，1/4的細(xì)胞類型此前缺乏高質(zhì)量的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)21種已分類的人類血細(xì)胞進(jìn)行RNA測(cè)序，定義了循環(huán)免疫細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄譜。在肺和血液?jiǎn)渭?xì)胞RNA-seq分析中，使用了典型免疫標(biāo)記和差異表達(dá)基因panel來(lái)分配25個(gè)免疫細(xì)胞簇。

圖2. 人類肺免疫分子類型聚集與注釋。來(lái)源：Nature

該分子圖譜可鑒定肺細(xì)胞的生化功能和轉(zhuǎn)錄因子標(biāo)記。分析發(fā)現(xiàn)，三組細(xì)胞簇（增殖基底細(xì)胞、增殖自然殺傷/T細(xì)胞、增殖巨噬細(xì)胞）的周期基因表達(dá)豐富，表明它們是最富增殖能力的肺細(xì)胞類型。研究發(fā)現(xiàn)了兩簇肺泡2型（AT2）細(xì)胞，可以產(chǎn)生表面活性物質(zhì)，防止肺泡塌陷。這些細(xì)胞混雜在肺泡上皮中。此外，研究團(tuán)隊(duì)在肺內(nèi)皮腔內(nèi)發(fā)現(xiàn)了意想不到的分子多樣性，并鑒定了新基質(zhì)類型。兩個(gè)簇表達(dá)經(jīng)典成纖維細(xì)胞標(biāo)記物（BSG和COL1A2），其中一個(gè)簇定位于肺泡，另一個(gè)簇定位于血管外膜和鄰近氣道。

圖3. AT2標(biāo)記表達(dá)的點(diǎn)圖(10x數(shù)據(jù)集)與smFISH和細(xì)胞定量評(píng)分。來(lái)源：Nature

利用該圖譜，研究團(tuán)隊(duì)確定了受肺部疾病基因和呼吸道病毒直接影響的細(xì)胞類型，并分析了233個(gè)現(xiàn)存肺部疾病基因的表達(dá)數(shù)據(jù)，可以確定疾病的細(xì)胞起源。該數(shù)據(jù)可支持12種疾病27個(gè)基因的已知或疑似“罪魁禍?zhǔn)住奔?xì)胞，并確定了15種疾病涉及21個(gè)基因的細(xì)胞類型，包括肺動(dòng)脈高壓的周細(xì)胞、房室發(fā)育不良的毛細(xì)血管和慢性阻塞性肺病（COPD）的AT2細(xì)胞。同時(shí)，該圖譜還繪制了80個(gè)編碼病毒受體基因的表達(dá)情況，其中包括呼吸道病毒的26個(gè)基因。

通過(guò)比較人類和小鼠的數(shù)據(jù)，該研究確定了17種在肺進(jìn)化過(guò)程中獲得或丟失的分子細(xì)胞類型，及表達(dá)譜發(fā)生重大變化的分子細(xì)胞類型，揭示了細(xì)胞類型和細(xì)胞類型特異性基因表達(dá)在器官進(jìn)化過(guò)程中的廣泛可塑性，包括細(xì)胞類型之間的表達(dá)轉(zhuǎn)換。

圖4. 肺細(xì)胞類型和表達(dá)模式的進(jìn)化差異。來(lái)源：Nature

研究團(tuán)隊(duì)表示，這是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，因?yàn)椴煌?xì)胞類型具有不同的結(jié)構(gòu)、位置和豐度，其變化范圍超過(guò)5個(gè)數(shù)量級(jí)。該分子細(xì)胞圖譜可為監(jiān)測(cè)肺部所有細(xì)胞類型以及它們?cè)诎l(fā)育、衰老、疾病和進(jìn)化過(guò)程中如何變化提供最佳標(biāo)記和基準(zhǔn)，以及為研究肺細(xì)胞功能和相互作用提供了分子基礎(chǔ)，將對(duì)肺相關(guān)生理學(xué)和醫(yī)學(xué)研究產(chǎn)生廣泛影響。

參考文獻(xiàn)：

Travaglini, K.J., Nabhan, A.N., Penland, L.?et al.?A molecular cell atlas of the human lung from single-cell RNA sequencing.?Nature?587,?619–625 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2922-4

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Nature | 基于单细胞RNA测序绘制人类肺组织分子细胞图谱，成功鉴定多种未知细胞类型...的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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