通過空間組學技術(shù)和單細胞測序繪制人類卵巢的細胞圖譜

文章題目：Cellular atlas of the human ovary using morphologically guided spatial transcriptomics and single-cell sequencing
中文題目：通過空間組學技術(shù)和單細胞測序繪制人類卵巢的細胞圖譜
發(fā)表時間：2024.04.05
期刊名稱：Science Advances
影響因子：13.6
實驗平臺：DSP空間轉(zhuǎn)錄組學、單細胞RNA測序
DOI：10.1126/sciadv.adm7506

01 研究背景

該研究深入探討了人類卵巢的復雜結(jié)構(gòu)和功能，并通過使用先進的遺傳分析技術(shù)揭示了卵巢的重要性，特別是在健康的生殖和內(nèi)分泌中卵泡的作用。盡管卵巢在生育和內(nèi)分泌健康方面具有重要性，但關(guān)于卵巢細胞的功能屬性知之甚少。由于健康的絕經(jīng)前婦女的組織樣本稀缺，以及技術(shù)限制，研究卵巢極具挑戰(zhàn)。研究人員采用了空間組學技術(shù)和單細胞RNA測序技術(shù)，創(chuàng)建了一個詳細的人類卵巢細胞圖譜。該研究使我們能夠探索卵巢內(nèi)各種細胞群體之間在空間上定義的相互作用，揭示了卵泡發(fā)育、激素產(chǎn)生和卵巢老化背后的功能單元和分子機制。該研究結(jié)合空間和單細胞圖譜的方法為未來研究卵巢中稀有細胞和病理狀態(tài)研究提供了參考，為理解卵巢的健康和疾病狀態(tài)提供了新的視角。

02 技術(shù)路線

03 研究結(jié)果

1. 人類卵巢的空間組學檢測
人卵巢的空間轉(zhuǎn)錄組學分析揭示了卵巢不同功能區(qū)域的基因表達模式(圖1)。研究對兩名健康供體卵巢的257個區(qū)域進行了分析，手動選擇了代表皮質(zhì)、髓質(zhì)、卵泡等已知功能單元區(qū)域(ROI),共覆蓋19種預定義的區(qū)域類型。主成分分析顯示,ROI的聚類與預定義的功能類型高度一致,如皮質(zhì)樣本聚為一類、髓質(zhì)樣本聚為一類、卵泡膜細胞樣本和卵泡顆粒細胞樣本分別聚類在一起，且兩個供體之間具有很好的重復性�？傊�,這些結(jié)果展示了卵巢組織的空間異質(zhì)性。不同區(qū)域的基因表達特征與其功能密切相關(guān)。

Fig1. 人類卵巢的空間轉(zhuǎn)錄組分析流程

2. 原始和初級卵子的基因表達輪廓
利用DAZL抗體陽性的拆分方法，研究獲得了11個富集原始卵泡和初級卵泡中卵母細胞的樣本，并鑒定出76個卵母細胞特異性高表達的基因(圖2)。其中許多基因為已知的卵母細胞的標志基因，如TUBB8、ZP3、LHX8和OOSP2，而一些基因如PADI6、UCHL1、ZFANDA2和REC114，此前雖與卵母細胞發(fā)育相關(guān)，但未被報道為標志基因。例如，PADI6編碼肽基精氨酸脫亞胺酶家族成員，在小鼠卵母細胞中定位于細胞質(zhì)并對早期胚胎發(fā)育至關(guān)重要，而UCHL1編碼泛素C末端水解酶，其活性影響小鼠受精和胚胎發(fā)生。這些新的卵母細胞特異性基因為深入研究人卵母細胞發(fā)育提供了重要的分子標簽。

Fig2. 人類卵母細胞的轉(zhuǎn)錄特征

3. 卵泡膜細胞和顆粒層細胞的基因特征
通過分析富集卵泡膜細胞和卵泡顆粒細胞的ROI,研究鑒定出45個卵泡膜細胞特異性基因和94個卵泡顆粒細胞特異性基因(圖3C)。兩個供體卵巢的不同卵泡樣本都展示出相似的細胞類型特征(圖3A,B)，證實了空間轉(zhuǎn)錄組方法的穩(wěn)健性。此外，在一個前卵泡中,通過分析卵母細胞周圍同心環(huán)狀的卵丘顆粒細胞層,發(fā)現(xiàn)其基因表達存在由內(nèi)向外的梯度變化(圖3D,E)，如Wnt和PKA信號通路相關(guān)基因呈現(xiàn)反向表達趨勢。這提示卵母細胞可能通過旁分泌作用影響其周圍卵丘細胞的特性。

Fig3. 顆粒細胞和卵泡膜細胞的重要特征

4. 卵巢皮質(zhì)的轉(zhuǎn)錄梯度和皮質(zhì)與髓質(zhì)間的功能異質(zhì)性
研究系統(tǒng)分析了卵巢皮質(zhì)和髓質(zhì)區(qū)域的空間轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性。在供體1外皮質(zhì)的11個連續(xù)薄層(每層30μm，跨度共330μm)中,發(fā)現(xiàn)了與激素信號(如NR4A1、STAR)和細胞外基質(zhì)重塑(如VIM、COL家族基因)相關(guān)基因的表達梯度變化，且從表層到深部逐漸升高(圖4A,B)。在供體2中，皮質(zhì)區(qū)和髓質(zhì)區(qū)的分析揭示了卵巢表面到內(nèi)部的轉(zhuǎn)錄變異(圖4C)，不同皮質(zhì)區(qū)域本身也存在異質(zhì)性,而髓質(zhì)區(qū)域的基因表達相對均一。此外,通過比較富含原始和初級卵泡的皮質(zhì)區(qū)域與無卵泡的外皮質(zhì)，鑒定出了參與組織重塑和類固醇合成的 (如SPINT2、ARHGEF15)的差異表達基因(圖4E)，暗示這些基因可能在維持卵泡發(fā)育的皮質(zhì)微環(huán)境中發(fā)揮作用。

Fig4. 皮質(zhì)和髓質(zhì)區(qū)域的轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性

5. 來自生育年齡婦女的三個卵巢的單細胞RNA測序
單細胞RNA測序技術(shù)進一步揭示了卵巢組織的細胞類型多樣性。通過對另外3個生育年齡婦女供體卵巢的21,198個細胞進行測序，鑒定出卵巢中存在4種主要細胞類型,包括基質(zhì)細胞、免疫細胞、內(nèi)皮細胞和周細胞(圖5A)，以及免疫細胞中的4個亞型：T細胞、NK細胞、巨噬細胞和肥大細胞(圖5B)。這些細胞類型和亞型都有各自特征性的標志基因(圖5C,D)。與已發(fā)表的單細胞數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn),不同研究所鑒定的主要細胞類型具有很好的一致性(圖S6)，而空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)則進一步細化了卵泡細胞類型的特征。

Fig5. 通過scRNA-seq分析鑒定人類卵巢中的細胞類型

04 主要結(jié)論

這項開創(chuàng)性研究首次在人卵巢組織和細胞水平進行了全面的轉(zhuǎn)錄組學分析,繪制了空前精細的分子圖譜。研究者利用空間轉(zhuǎn)錄組學技術(shù)對卵巢的不同解剖區(qū)域進行了系統(tǒng)采樣，證實了卵巢組織的顯著空間異質(zhì)性,即皮質(zhì)、髓質(zhì)、不同發(fā)育階段卵泡等區(qū)域具有獨特的基因表達特征，反映了其結(jié)構(gòu)和功能的精細分工與調(diào)控。此外,研究重點分析了卵母細胞、卵泡膜細胞和卵泡顆粒細胞,鑒定出它們各自特異的基因，并在卵泡內(nèi)部細胞群之間發(fā)現(xiàn)了獨特的空間表達梯度，提示卵泡微環(huán)境的精細調(diào)節(jié)。同時,單細胞測序數(shù)據(jù)補充了間質(zhì)細胞、免疫細胞等成分的多樣性信息。該研究還特別關(guān)注了原始卵泡密集分布的皮質(zhì)區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了與原始卵泡激活相關(guān)基因的空間表達梯度，表明皮質(zhì)微環(huán)境可能通過這些基因的作用形成有利于卵泡發(fā)育啟動的內(nèi)環(huán)境。綜上,該研究深化了對卵巢結(jié)構(gòu)功能的整體性認知，所獲得的海量數(shù)據(jù)資源和分子標志物將為生殖醫(yī)學研究和臨床應(yīng)用提供重要的理論基礎(chǔ)和新思路。