Nat Rev Genet | 单细胞图谱揭示器官中共有的和特异的细胞类型

原创 huacishu 图灵基因 

收录于话题#前沿生物大数据分析

撰文：huacishu

IF=53.242

推荐度：⭐⭐⭐⭐⭐

亮点:

1、作者重点介绍了从基于人类单细胞基因表达数据的上皮细胞、成纤维细胞、血管和免疫细胞的跨组织研究中获得的关键生物学见解，并将其与小鼠中报告的机制进行了对比；

2、作者讨论了使用单细胞研究产生的跨组织见解。这些研究使我们更接近于描述组织内细胞异质性和组织间差异，并有可能为未来的细胞和组织特异性治疗提供信息。

剑桥大学Sarah Teichman教授课题组在国际知名期刊Nat Rev Genet在线发表题为“Single-cell atlases: shared and tissue-specific cell types across human organs”的论文。单细胞和空间转录组学方法的发展有助于人类细胞图谱的构想，该构想旨在生成整个人体所有细胞的综合图谱。这些技术进步为人类器官和组织的图谱以及对单个人类细胞类型的理解带来了越来越高的深度和分辨率。这些人体组织图谱开始显现出人体器官中原代和支持性细胞类型的共性以及组织特异性特征。在这篇综述中，作者重点介绍了从基于人类单细胞基因表达数据的上皮细胞、成纤维细胞、血管和免疫细胞的跨组织研究中获得的关键生物学见解，并将其与小鼠中报告的机制进行了对比。

在单细胞RNA测序（scRNA-seq）实验中，大量单个细胞根据其基因表达谱进行测序和计算分组（即聚类），从而实现对细胞类型和细胞状态的无偏差识别。单细胞分析的最新进展整合了多种组学方法，如通过测序（ATAC-seq）分析转座酶可及性染色质，以及通过抗体读取细胞表面蛋白，从而表征了细胞的更多方面特征。此外，将scRNA-seq与V（D）J基因富集和测序相结合，已在解决T细胞和B细胞抗原受体库以及跨组织克隆扩增方面获得广泛应用。单细胞技术和空间技术的进步加快了分析和整合工具的发展，这些工具提供了重新定义细胞类型的手段。随着单细胞数据的积累，从跨组织角度研究单个细胞将揭示对组织特异性和共享特征的新生物学见解（图1A）。当与群体遗传学信息结合使用时，单细胞数据可以帮助识别与疾病相关的组织或细胞类型，并进一步了解遗传变异如何导致疾病（图1Ba）。例如，将单细胞转录组学数据与全基因组关联研究（GWAS）信号整合在一起的框架显示了揭示特定细胞类型与复杂性状或疾病之间关联的潜力。此外，对人体器官和组织之间细微差异的了解有助于药物输送和个性化治疗设计的进步（图1Bb）。

上皮细胞在以屏障器官为特征的单细胞图谱研究中得到了很好的覆盖，包括人类皮肤、气管、肝脏、胃肠道以及胰腺和肾脏。上皮分为鳞状上皮、立方上皮和柱状上皮，可排列为单层或多层。上皮细胞也可以采用更复杂的顶端-基底几何形状，称为“鳞状突”，最近有人提出这种几何形状来支持将上皮细胞包装成不同的组织形状。在不同的组织中，上皮细胞具有明确的结构和分子特征，例如各种间隙、粘附和封闭连接蛋白的表达，但也很容易通过角蛋白表达来区分。这些差异反映在单细胞转录组学数据中，其中皮肤的角质形成细胞、肠道的肠细胞和气道的基底细胞根据其来源组织分别聚集。一些非典型上皮亚群与其他谱系具有相同的特征。例如，间皮细胞排列在内部器官上，提供非粘附表面以限制器官摩擦，它代表一种独立的细胞类型，具有上皮细胞（例如，细胞角蛋白和紧密连接蛋白表达）和间充质细胞（例如胶原表达）的特征。间皮细胞的转录谱在人体器官中惊人地相似，LRRN4、UPK3B、KRT19、PRG4和MSLN在包括心脏和肠道在内的器官中特征性表达。同样，肌上皮细胞与肌肉细胞具有相同的功能特征。根据单细胞数据，这些细胞具有收缩性细胞特征，例如编码肌动蛋白结合蛋白（TAGLN和ACTA2）的基因的表达，并具有支持多个腺体（包括唾液和乳腺）分泌物排出的功能（图2）。上皮可以在各种器官中形成多细胞外分泌腺和内分泌腺，具有产生和分泌激素、酶或其他物质的特殊功能。大多数腺体都有一个分泌和导管单元（图2）。单细胞研究开始是描述几种腺体的细胞组成，包括人类的汗腺和皮脂腺、眼睛的泪腺、唾液腺、胰腺和乳腺、食道腺体和肺的粘膜下腺体。在人类乳腺组织中，导管基底细胞、肌上皮细胞和管腔亚群（L1和L2）已被确定，在增殖、分泌和激素反应中具有特殊功能。最后，在分泌激素的子宫内膜腺体中存在八个管腔和腺体亚群，它们的组成在月经周期的不同阶段有所不同。

成纤维细胞是间充质细胞，在组织结构完整性、免疫调节、伤口愈合和组织重塑中具有公认的作用。无偏见的组织取样发现了无处不在的成纤维细胞前体、组织特异性成纤维细胞和疾病激活的成纤维细胞状态（图3）。作者强调了淋巴器官中存在的成纤维细胞，因为它们独特的跨组织功能通过单细胞技术得到了进一步阐明。单细胞基因组学已经重新定义了小鼠和人类成纤维细胞的异质性，跨组织研究也开始揭示它们的共同特征。在从16个器官收集成纤维细胞的小鼠中进行的一项开创性研究发现，在健康条件下，有两个以前未知的通用成纤维细胞前体群体；外膜（Pi16+）细胞群靠近血管并产生组织成纤维细胞，而实质（Col15a1+）细胞群分泌细胞外基质蛋白，这是组织结构支持所必需的（图3a）。在人类中，外膜成纤维细胞也存在，但没有观察到实质细胞群，可能是由于取样有限造成的。除了普遍的成纤维细胞前体，成纤维细胞网状细胞（FRC）存在于多个次级淋巴器官中，包括淋巴结和脾脏（图3a、b）。T细胞区的FRC（称为T区网状细胞，或TRC）通过CCL19和CCL21吸引CCR7+T细胞和树突状细胞。在B细胞区，称为边缘网状细胞和滤泡树突状细胞（FDC）的多个CXCL13+成纤维细胞群占优势，并招募CXCR5+B细胞和滤泡辅助性T细胞。在人类淋巴结单细胞数据中，已鉴定出多达五个FRC群体及其对应的小鼠。在健康方面，FRC促进对自身抗原和共生细菌的耐受性，并能直接将抗原呈递给适应性免疫细胞。最近，利用单细胞基因组学解决了它们向传统树突状细胞发出信号以实现适当T细胞反应的能力。FDC和TRC样细胞的不同群体也在人类肠道和肺中被捕获，包括粘膜相关淋巴组织，它们的异质性和分化轨迹在小鼠中得到了详细解决。最近对小鼠淋巴结和脾脏FRC的跨组织和单细胞比较，区分了次级淋巴器官保守的FRC，包括Ccl19+Ccl21a+T区细胞和Cxcl13+Cr2+B区细胞，以及明确在淋巴结中发现的组织特异性FRC群体，如Inmt+髓质FRC和Timp1+FRC。此外，次级淋巴器官保守的FRC有细微的转录差异。开创性的跨组织研究已经开始直接比较炎症组织中扩张的成纤维细胞。有两个亚群（CXCL10+CCL19+和SPARC+COL3A1+）被发现在发炎的滑膜、肠、肺和唾液腺中扩展，并调节与免疫或血管细胞的相互作用（图3c）。在小鼠和人类组织中还发现了其他疾病扩展类型，例如在结肠炎中表达ADAMDEC1，在癌症中表达LRRC15。未来的研究将解决组织环境如何影响这些人群，并探索针对这些细胞的潜在治疗途径。

形态学上不同的内皮细胞类型早已被确认，例如，次级淋巴器官中存在不同的毛细血管亚型，如不连续的窦状和连续毛细血管（图4）。尽管已经描述了泛内皮标记物，但导致这些形态学变化的转录差异尚不清楚。最近的单细胞研究已经确定了某些器官特有的高度特化的亚型，包括气体交换肺泡毛细血管，它们在白细胞运输中具有特化作用，并在肺实质中被发现。血管异质性远远超出了血液和淋巴系统之间的区别，并进一步反映在器官内和器官间不同血管细胞类型中。血管和淋巴管都有单层内皮细胞（图4a，b）。内皮细胞作为一种分布丰富的结构，对其他细胞的生长至关重要，并适应局部微环境以支持特殊功能。例如，脑内皮细胞在血脑屏障上紧密相连，而肺和肝内皮细胞表现出更高的通透性，以促进气体和溶质的交换。血管细胞的器官内异质性也早已被认识，例如，单细胞研究进一步表征了肾内皮细胞亚型（图4c）。肾小球有非隔膜毛细血管用于滤过，管周血管和升主动脉使用开窗内皮细胞（以PLVAP标记）来重新吸收水和代谢物，降主动脉有动脉样连续内皮细胞（以IGFBP3标记）被壁细胞包围。在健康成年小鼠的心脏、肌肉、睾丸和肾脏中，发现跨器官的内皮细胞表达血管生成标记物。持续的跨组织单细胞表征和内皮细胞的比较将说明这些细胞如何以及在多大程度上适应器官的特定需求。氧、营养和各种分子信号的梯度为细胞提供了高度动态的微环境。在人类的肺和大脑中发现了沿着动脉、小动脉、毛细血管、小静脉和静脉轴的血管内皮细胞的转录组连续体（图4d）。淋巴管内皮细胞类型之间的中间状态比血内皮细胞更多，可能反映了淋巴结中更复杂的层次结构或方向性较低的分子运输路线，或两者兼而有之（图4b）。

单细胞研究揭示了不同器官间具有转录相似性的组织髓样细胞（图5a）。大多数自我更新的组织巨噬细胞起源于产前发育，只有一小部分来自循环单核细胞。例如，首次在脂肪组织和肝脏中报告了脂质相关的TREM2+巨噬细胞，并在人类和小鼠中发挥调节脂质代谢的功能。最近的一项跨组织分析显示，这种细胞群存在于其他组织中，如乳腺、心脏、肺和前列腺。此外，越来越清楚的是，TREM2+巨噬细胞在受疾病影响的组织中大量增加，包括在动脉粥样硬化期间的血管中，在神经退行性变和癌症期间的脑组织中，以及在脂肪肝和人类肝硬化的小鼠模型中。最后，不仅在组织间发现了异质性和共同性，而且在特定组织的结构内也发现了异质性和共同性，从而导致器官内的免疫分区。在肾脏中，单核吞噬细胞的趋化因子表达模式与骨盆区域的接近程度相关，骨盆区域最容易受到尿路感染（图5b）。即使是成熟的、驻留在组织中的髓样细胞，如其染色质分布和基因表达谱所反映的那样，也可以通过局部微环境的变化来重塑，例如小鼠的跨组织研究。单组织内免疫分区的概念有可能在其他人类组织结构中利用单细胞和空间基因组学进行探索。B细胞和T细胞利用V（D）J基因片段体细胞重组产生的特异受体识别抗原。一旦遇到抗原，这些细胞类型可以获得多种记忆表型，并在体内循环。此外，记忆淋巴细胞可以表现出对局部组织微环境的适应性，单细胞基因组学可以对这些过程进行系统研究。例如，与肠系膜淋巴结中的Treg细胞相比，结肠中的调节性T细胞（Treg细胞）显示出免疫抑制基因表达（FOXP3、IL2RA、CTLA4、IL10和LAG3）的增加。这种增加可能反映了结肠Treg细胞需要对肠道内的共生微生物和食物抗原具有更高的耐受性（图5c）。单细胞基因组学也为最终分化的细胞状态提供了见解。最近，在健康成人中开展的开创性跨组织研究（包括淋巴组织和非淋巴组织）已开始识别跨组织T和B细胞亚群克隆结构的模式（图5d）。这些研究揭示了TRAV1-2+粘膜相关不变T（MAIT）细胞中某些可变基因片段的位置和使用之间的相关性。这些研究还表明克隆的组织分布与其细胞表型之间存在联系。进一步解剖这些记忆T细胞亚群、它们的克隆性及其在组织微环境中的相互作用，将有助于设计有效的免疫治疗策略。

在这篇综述中，作者讨论了使用单细胞研究产生的跨组织见解。这些研究使我们更接近于描述组织内细胞异质性和组织间差异，并有可能为未来的细胞和组织特异性治疗提供信息。

教授介绍

Sarah Teichman教授是人类细胞图谱（HCA）国际联盟的联合创始人和主要领导人。国际人类细胞图谱倡议旨在创建所有人类细胞的综合参考地图，以进一步了解健康和疾病。该团队的研究集中在四个互补的研究领域：转录、调控和基因表达、单细胞基因组学、免疫学、蛋白质复合物。特别是，她的研究现在集中在基因组学和免疫方面。Sarah Teichman教授在英国剑桥大学MRC分子生物学实验室获得博士学位，并在伦敦大学学院担任研究员。Sarah Teichman教授是EMO成员和医学科学院院士，她的工作获得了多项奖项的认可。

参考文献

Elmentaite R, Domínguez Conde C, Yang L, Teichmann SA. Single-cell atlases:shared and tissue-specific cell types across human organs. Nat Rev Genet.2022;10.1038/s41576-022-00449-w. doi:10.1038/s41576-022-00449-w