轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)在繪制各類缺失圖譜中的應(yīng)用

01

又雙叒叕一物種單細胞圖譜完成：郭國驥團隊繪制兩棲動物非洲爪蟾的單細胞圖譜

在物種進化的進程中，兩棲動物是由水生到陸生的關(guān)鍵樞紐，兩棲動物單細胞圖譜的缺失使得人們無法很好的解析物種進化的層級�，F(xiàn)在人類、猴、小鼠、斑馬魚和果蠅等物種多組織多器官的單細胞圖譜陸續(xù)繪制完成。

該研究繪制了成年非洲爪蟾17個組織/器官和4個變態(tài)發(fā)育的時期圖譜，獲得超過500,000個單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)與斑馬魚、非洲爪蟾、小鼠和人細胞圖譜進行比較，發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細胞在脊椎動物進化過程中具有較高的保守性，并確定了譜系保守的調(diào)控因子。另外在非洲爪蟾的呼吸系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了與斑馬魚和小鼠高度關(guān)聯(lián)性的肺上皮細胞，同時也發(fā)現(xiàn)了與斑馬魚鰓高度關(guān)聯(lián)的細胞類型，闡述了水生、兩棲、陸生動物呼吸系統(tǒng)進化關(guān)系，然后對其變態(tài)發(fā)育的四個時期進行研究，發(fā)現(xiàn)在變態(tài)發(fā)育高峰期同時存在表達hbd（幼年特異）和hba1（成年特異）的紅細胞亞群，說明紅細胞的在該過程中是過渡轉(zhuǎn)化方式。

該研究補充了水生到陸生進化中間階段的物種細胞圖譜，為物種進化研究提供了更豐富的信息。

 

02

宋洪軍/明國莉團隊報道人類海馬區(qū)未成熟神經(jīng)元的分子圖譜

成年哺乳動物大腦的海馬區(qū)域終生存在神經(jīng)發(fā)生現(xiàn)象，這一過程是由活化的神經(jīng)干細胞產(chǎn)生增殖的中間神經(jīng)祖細胞和成神經(jīng)細胞，進而分裂成為未成熟的齒狀回顆粒細胞，最終成熟并融入神經(jīng)環(huán)路之中。但在人類中，更多的研究者認為在胎兒出生后青少年期未成熟神經(jīng)元急劇下降，但在成年之后是否還存在未成熟的神經(jīng)元一直存在爭議。之前的研究大多基于以傳統(tǒng)的未成熟神經(jīng)元的標記物Doublecortin（DCX）的免疫組織化學結(jié)果，但因為方法可變因素較多一直沒有定論。

該研究采用單核轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)對0-92歲的人腦組織的海馬區(qū)進行研究，發(fā)現(xiàn)人腦的海馬區(qū)域終生存在未成熟神經(jīng)元，其占比在出生后隨年齡緩慢降低，這些未成熟神經(jīng)元的分子屬性也會隨年齡發(fā)生變化，并且易于受多種神經(jīng)或精神類疾病影響。但是這些神經(jīng)元究竟是后天新生的，還是出生階段早已形成的呢？在該研究中突破人體無法進行核苷酸類似物標記而不能真實判斷神經(jīng)發(fā)生是否存在的限制，采用成年海馬腦切片后EdU示蹤細胞分裂的方法，證實了成年人類的海馬具有新產(chǎn)生神經(jīng)元的能力，進而提出了人腦海馬未成熟神經(jīng)元的形成和成熟過程提出了新的假說，即靈長類、尤其是人類的未成熟神經(jīng)元的成熟極為緩慢，齒狀回神經(jīng)發(fā)生系統(tǒng)只需相對低頻的中間神經(jīng)祖細胞和成神經(jīng)細胞增殖水平，就能在系統(tǒng)中終生維持一個數(shù)量可觀的未成熟神經(jīng)元細胞群。

綜上所述，本項研究揭示了人類海馬未成熟神經(jīng)元在整個生命周期和神經(jīng)疾病中的轉(zhuǎn)錄組學特征，為進一步探索其在腦部疾病中的應(yīng)用奠定了分子生物學基礎(chǔ)。

 

03

空間轉(zhuǎn)錄組降噪新方法--sprod

空間轉(zhuǎn)錄組彌補了單細胞無法提供的空間位置信息，但是由于每個測序位點上單薄的低通量測序深度以及為了保留測序位置所執(zhí)行的額外實驗步驟造成噪音，這些噪音給研究者們從寶貴的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)提取出有價值的信息制造了巨大的障礙。

本文發(fā)明的Sprod方法，其使用空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)特有的空間位置和病理學圖像的信息，來修正空間轉(zhuǎn)錄組基因表達譜數(shù)據(jù)中的噪音。通過分析不同測序位點的空間距離和基因表達譜特征，將測序位點放入這個隱圖中�？臻g轉(zhuǎn)錄組的表達譜信息根據(jù)這個隱圖流動，從而實現(xiàn)表達譜數(shù)據(jù)的降噪。Sprod可以應(yīng)用于各種空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，如Visium、Slide-Seq、HDST、Seq-Scope等。分辨率越高的技術(shù)類型，噪音越大，Sprod的作用也越大。降噪后的數(shù)據(jù)在差異表達分析，信號通路富集，細胞間通訊，等各方面的下游分析中，都有了生物學上更合理的結(jié)果。

 

04

中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）的巨噬細胞多樣化研究：衰老和神經(jīng)變性相關(guān)小膠質(zhì)細胞的“兩面性”

中樞神經(jīng)系統(tǒng)的巨噬細胞包括（1）與神經(jīng)細胞一起發(fā)育和工作的小膠質(zhì)細胞，（2）位于腦膜、脈絡(luò)叢和血管周圍空間的邊界相關(guān)巨噬細胞（BAM），（3）在神經(jīng)退行性病變部位的疾病相關(guān)小膠質(zhì)細胞（DAM），其中BAM與炎癥后的病理生理學和組織損傷有關(guān)，而在神經(jīng)退行性變部位發(fā)現(xiàn)的DAM卻被認為具有保護作用，這兩種細胞的起源、同質(zhì)性、之間的分化關(guān)系一直存在異議。

本研究整合了6個小鼠大腦scRNA-seq數(shù)據(jù)集，跨越從胚胎發(fā)育到衰老和神經(jīng)退行性病變的免疫細胞圖譜，通過DAM特征基因的分析發(fā)現(xiàn)兩種小膠質(zhì)細胞，一種位于發(fā)育小膠質(zhì)細胞區(qū)域（DAM），而另一種成熟小膠質(zhì)細胞區(qū)域內(nèi)，由于炎癥基因的高表達將其定義為疾病炎癥巨噬細胞（DIM），并且發(fā)現(xiàn)DIM在小鼠出生后才出現(xiàn)并在一歲以上的小鼠中急劇增加，在其他原因誘發(fā)炎癥時，發(fā)現(xiàn)大腦中單核細胞衍生的巨噬細胞顯著增加并且高表達DIM特異性過表達基因CD83，說明了DIM的來源是單核巨噬細胞，并且這群細胞和AD大腦中的Aβ顯著重疊，該結(jié)果在成年人scRNA-seq中也得到證實，表明這三種細胞群體在大腦發(fā)育、衰老和神經(jīng)退行性變期間的程序在這兩個物種之間可能是保守的。

這項研究揭示了神經(jīng)系統(tǒng)DAM群體的異質(zhì)性，繪制了腦髓樣細胞在發(fā)育、穩(wěn)態(tài)和疾病中的異質(zhì)性的個體發(fā)育模型，并確定了在小鼠和人類衰老和神經(jīng)炎癥期間可靶向的新細胞群。

 

05

第一篇健康女性母乳單細胞圖譜出爐：母乳細胞參與嬰兒的發(fā)育，堅持母乳喂養(yǎng)有好處！

母乳含有生長因子、免疫調(diào)節(jié)成分以及細菌和母乳細胞，這些成分能夠在產(chǎn)后促進嬰兒器官的生長和發(fā)育，除了母乳細胞其他成分和牛奶中相差不大，那么母乳細胞是怎樣促進嬰兒發(fā)育的尚不清楚，確定其作用的第一步是鑒定和表征。

本文利用流式細胞術(shù)、RT-qPCR和scRNA-seq對新鮮的母乳細胞進行分析，發(fā)現(xiàn)上皮如細胞是母乳中最豐富的細胞群，除此之外還有免疫細胞和間充質(zhì)細胞，由于母乳是潛在的干細胞來源之一，本文中研究者利用RT-qPCR對分選的上皮細胞進行干細胞調(diào)節(jié)因子的檢測（SOX2，TRA-1-60，NANOG和SSEA4），發(fā)現(xiàn)只有5%的上皮細胞具有四種干細胞標記陽性。流式分選的方法只能利用已知的細胞標記對母乳細胞進行表征，為了獲得更多的信息，研究這進一步利用scRNA-seq對母乳進行了分析，共獲得了9個細胞亞群，識別了巨噬細胞，T細胞和7個cluster的上皮細胞，這些上皮細胞也進一步識別了獨特的亞群，功能主要分布在腸道發(fā)育的FGFBP1乳細胞，脂肪酸合成和胰島素抵抗PTPRF乳細胞，分泌/趨化上皮細胞，凋亡上皮細胞組成，擬時序分析發(fā)現(xiàn)了母乳干性較強的細胞與其他母乳上皮細胞的分化軌跡。

該研究是首篇表征健康女性的母乳細胞的單細胞文章，這些細胞類型如何參與嬰兒的發(fā)育還需要進一步研究。

 

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