2019年5月10x平臺單細胞轉(zhuǎn)錄組應用集錦

發(fā)稿時間：2019-06-17來源：天昊生物

A. 發(fā)育相關

1. Molecular recording of mammalian embryogenesis, Nature—哺乳動物胚胎形成的分子記錄（揭示胚胎發(fā)育狀態(tài)）

個體發(fā)生學描述的是復雜的多細胞生物如何從單個全能細胞發(fā)育而來，這一領域在哺乳動物中尤其具有挑戰(zhàn)性，因為這些動物的自我更新和分化、祖細胞大小的變化和內(nèi)部妊娠之間存在不確定的關系。這項研究開發(fā)并驗證了一項同時報告小鼠細胞狀態(tài)和譜系歷史(lineage history)的方法。結(jié)合CRISPR–Cas9、譜系示蹤(lineage tracer)、單細胞RNA測序(scRNA-seq)等技術揭示了不同組織類型間經(jīng)典的發(fā)育關系，顯示了胚外和胚胎起源的內(nèi)胚層細胞近乎完整的轉(zhuǎn)錄收斂性。其中利用scRNA-seq對譜系示蹤的胚胎的22,264個細胞進行分析，隨后整合數(shù)據(jù)進行了單細胞譜系構(gòu)建。通過使用這樣的記錄器(recorder)作為一個不斷進化的譜系示蹤器，觀察小鼠胚胎發(fā)生的命運圖，概括典型的模式，并說明譜系信息如何有助于識別新的細胞類型。

 

2. Single-cell RNA-seq analysis of retinal development identifies NFI factors as regulating mitotic exit and late-born cell specification, Neuron—單細胞RNA測序分析視網(wǎng)膜發(fā)育發(fā)現(xiàn)NFI因子能夠調(diào)控有絲分裂退出及晚生細胞的特化（視網(wǎng)膜細胞發(fā)育圖譜）

神經(jīng)元祖細胞中基因表達的精確的時間控制對于準確的調(diào)控神經(jīng)形成和細胞命運特化是必需的。然而發(fā)育中的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的細胞異質(zhì)性對于發(fā)現(xiàn)控制這些過程的基因調(diào)控網(wǎng)絡來說是一大障礙。因此利用單細胞RNA測序的方法解析包括完整的視網(wǎng)膜神經(jīng)生成的10個發(fā)育階段。借此能夠深入地表征神經(jīng)生成起始階段的基因表達變化、發(fā)育能力的變化以及每種主要視網(wǎng)膜細胞類型的特化和分化。其中發(fā)現(xiàn)NFI轉(zhuǎn)錄因子(Nfia, Nfib, Nfix)選擇性地表達在后期的視網(wǎng)膜祖細胞中，而且其控制了兩極中間神經(jīng)元和Muller神經(jīng)膠質(zhì)細胞命運特化，并且促進了增殖的沉默。

 

3. Human pluripotency is initiated and preserved by a unique subset of founder cells, Cell—人的多能性的起始和維持受到一群獨特的創(chuàng)始細胞的影響（發(fā)現(xiàn)新的多能干細胞）

有組織的菌落聚集是體外多能性起源或誘導的最早的表現(xiàn)形式，然而這種聚集的必要性或起源不得而知。該研究發(fā)現(xiàn)人的多能founder細胞(hPFCs)能夠起始、維持并且建立多能干細胞(PSC)的培養(yǎng)。hPFCs以NCAD+的表達為標志，而且特異性地定位在PSCs的菌落邊緣。功能分析表明，hPFCs擁有PSC培養(yǎng)的克隆形成能力，并且在多能性重編程相關表型之前出現(xiàn)。靈長類胚胎移植前后的比較單細胞分析顯示hPFCs與原始內(nèi)胚層(PrE)共享特征屬性，而且受非經(jīng)典的Wnt信號通路調(diào)控。In vivo通過靈長類胚胎組織確定了一類founder細胞對多能性狀態(tài)的建立至關重要。

 

B. 骨髓相關

4. The bone marrow microenvironment at single-cell resolution, Nature—單細胞分辨率下的骨髓微環(huán)境（骨髓微環(huán)境圖譜）

骨髓微環(huán)境對調(diào)節(jié)造血作用具有至關重要的影響，但是其分子復雜性及對應激的反應并未完全被理解。本文在內(nèi)穩(wěn)態(tài)及壓力誘導的造血作用這兩種條件下，繪制了小鼠骨髓血管、血管周圍及成骨細胞群的單細胞分辨率下轉(zhuǎn)錄組圖譜。分析發(fā)現(xiàn)了骨髓生態(tài)龕(niche)中先前未被“欣賞”的細胞異質(zhì)性水平，并且確定了造血前生長因子、趨化因子及膜結(jié)合的配體的細胞來源。研究證實了在應激條件下對生態(tài)龕元素重要的轉(zhuǎn)錄組重建，包括血管周圍細胞的脂肪細胞偏移。在壓力誘導的改變中，觀察到血管Notch delta樣配體(由Dll1和Dll4編碼)的下調(diào)。在血管Dll4缺失的情況下，造血干細胞過早地誘導一種骨髓轉(zhuǎn)錄程序。這些發(fā)現(xiàn)改善了對于骨髓生態(tài)龕細胞架構(gòu)的理解，顯示了對壓力高度敏感的分子圖譜的動態(tài)性和異質(zhì)性，同時也說明單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)能夠很好地用于評價離散的生態(tài)龕群體對造血作用的調(diào)控。

 

5. A cellular taxonomy of the bone marrow stroma in homeostasis and leukemia, Cell—內(nèi)穩(wěn)態(tài)和白血病狀態(tài)下的骨髓基質(zhì)細胞圖譜（骨髓基質(zhì)細胞圖譜）

基質(zhì)細胞事實上是每種器官中未明確定義的非實質(zhì)成分，其在器官發(fā)育、內(nèi)穩(wěn)態(tài)及修復過程中扮演重要的角色。骨髓基質(zhì)細胞的研究已經(jīng)明確干細胞生態(tài)龕中的個別的細胞群調(diào)控造血再生，能夠引起白血病。利用單細胞RNA測序確定小鼠骨髓基質(zhì)細胞的細胞分類及在惡性腫瘤條件下的擾亂作用。鑒定了17種基質(zhì)細胞亞型表達獨特的造血調(diào)控基因，包括新的成纖維細胞及成骨細胞亞群。形成的急性髓性白血病損傷了間葉細胞的成骨分化，并且降低了那些對正常造血作用必需的調(diào)控分子。這些數(shù)據(jù)說明組織基質(zhì)細胞對惡性細胞的反應靠使正常實質(zhì)細胞處于不利地位?；|(zhì)細胞的分類對于骨髓細胞提供了深入的研究分析，并且對癌細胞與特定的基質(zhì)細胞間的相互影響提供了實驗支撐。

 

6. Myeloid cells in liver and bone marrow acquire a functionally distinct inflammatory phenotype during obesity-related steatohepatitis, Gut—肥胖相關的脂肪性肝炎期間肝臟中的骨髓細胞及骨髓獲得一種功能性獨特的炎癥表型（肝炎中揭示細胞狀態(tài)的變化）

在肥胖相關的非酒精性脂肪肝(NAFLD)向脂肪性肝炎(NASH)發(fā)展的過程中，骨髓來源的髓細胞以單核細胞和巨噬細胞的形式在肝臟中積累。髓細胞包括不均一的亞群，飲食營養(yǎng)過?？赡苡绊懜闻K和骨髓中的巨噬細胞。因此本文旨在深入研究脂肪肝中髓細胞的功能適應性。給C57BL/6小鼠喂食高脂、高糖、高膽固醇的“西式飲食”16周，利用scRNA-seq分析其在肥胖相關的NAFLD期間肝臟和骨髓來源的骨髓細胞的異質(zhì)性，并且in vitro表征NAFLD驅(qū)動的巨噬細胞的功能適應性及in vivo在NASH期間的功能相關性。其中利用scRNA-seq發(fā)現(xiàn)一種常見的NAFLD髓細胞表型特征的改變，包括炎癥性標志物--鈣網(wǎng)蛋白(S100A8/A9)在肝臟單核細胞、巨噬細胞、樹突細胞及骨髓前體細胞中基因表達的下調(diào)。

 

C. 大腦相關

7. Single-cell transcriptomic analysis of Alzheimer’s disease, Nature—阿爾茨海默癥單細胞轉(zhuǎn)錄組分析（阿爾茨海默癥前額皮質(zhì)細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜）

阿爾茨海默癥是一種普遍的神經(jīng)退行性疾病，其分子的復雜性仍知之甚少。因此本文對來源于48位不同阿爾茨海默癥病理程度的個體的前額皮質(zhì)中80,660個細胞進行了單核轉(zhuǎn)錄組測序。在6種主要的腦細胞類型中，發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)錄上不同的細胞亞群，包括與病理相關的細胞類型，以髓鞘形成、炎癥和神經(jīng)元生存的調(diào)控因子進行表征。與疾病相關的最強變化出現(xiàn)在病理進展的早期，且具有高度的細胞類型特異性，然而在晚期上調(diào)的基因在多種細胞類型中均出現(xiàn)，并且主要參與整體的應激反應。值得注意的是，發(fā)現(xiàn)了女性的細胞在與疾病相關的亞群中比例更高，而且在包括少突膠質(zhì)細胞在內(nèi)的幾種細胞類型中，轉(zhuǎn)錄反應在性別間存在顯著差異。總之，髓鞘形成相關的過程在多種細胞類型中反復受到干擾，這表明髓鞘形成在阿爾茨海默病的病理生理中起著關鍵作用。該單細胞轉(zhuǎn)錄組資源為研究阿爾茨海默病的分子和細胞基礎提供了藍圖。

 

8. A single-cell atlas of mouse brain macrophages reveals unique transcriptional identities shaped by ontogeny and tissue environment, Nature Neuroscience—小鼠大腦巨噬細胞單細胞圖譜顯示了獨特的轉(zhuǎn)錄特征是由個體發(fā)生和組織環(huán)境形成（大腦巨噬細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜）

雖然實質(zhì)小膠質(zhì)細胞在腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)和疾病中的作用相當清楚，但對其他腦內(nèi)存在的骨髓細胞的了解仍然較少。通過解剖邊緣區(qū)域，將單細胞RNA測序與高維細胞計數(shù)、細胞群RNA測序、命運映射(fate-mapping)和顯微技術相結(jié)合，揭示了非實質(zhì)腦巨噬細胞的多樣性。位于硬腦膜、硬膜下腦膜和脈絡叢內(nèi)的邊緣相關的巨噬細胞(BAMs)由具有組織特異性轉(zhuǎn)錄特征的不同亞群組成，它們的細胞組成在出生后發(fā)育過程中發(fā)生了變化。BAMs表現(xiàn)為混合的個體發(fā)生，亞群在耗竭和種群恢復后表現(xiàn)出明顯的自我更新能力。單細胞和命運映射分析均表明，脈絡叢上皮頂端表面存在一種獨特的小膠質(zhì)細胞亞群。最后，通過基因網(wǎng)絡分析和條件性缺失發(fā)現(xiàn)IRF8是驅(qū)動腦巨噬細胞成熟和多樣性的主要調(diào)控因子。該研究結(jié)果為理解健康和病變大腦中宿主-巨噬細胞的相互作用提供了一個框架。

 

D. 心血管相關

 

9. Single cell analysis of the normal mouse aorta reveals functionally distinct endothelial cell populations, Circulation—正常小鼠主動脈的單細胞分析顯示功能不同的內(nèi)皮細胞群（主動脈單細胞圖譜）

形成動脈壁的細胞會導致多種血管疾病，而這些細胞群的細胞異質(zhì)性程度尚未得到充分的表征。單細胞RNA測序的最新進展使得識別和表征細胞亞群成為可能。本文驗證了一種在正常血管中生成基于液滴的基因表達單細胞圖譜的方法，通過酶解四只完整的小鼠主動脈后，對10,000多個細胞進行單細胞測序。通過對主動脈細胞基因表達的聚類分析，確定了代表每一種主要動脈細胞類型的10個細胞亞群—成纖維細胞、血管平滑肌細胞、內(nèi)皮細胞(ECs)和免疫細胞（包括單核細胞、巨噬細胞和淋巴細胞）。最顯著的細胞異質(zhì)性出現(xiàn)在3種不同的EC群體中。對這些EC亞群的基因集富集分析發(fā)現(xiàn)了1個淋巴管EC簇和另外2個更專門于脂蛋白處理、血管生成和細胞外基質(zhì)生成的細胞群。這些亞群在對西式飲食的反應中持續(xù)存在并表現(xiàn)出類似的基因表達變化。Vcam1和Cd36的免疫熒光證實了整個主動脈EC亞群的區(qū)域異質(zhì)性。

 

10. Single-cell transcriptome analyses reveal novel targets modulating cardiac neovascularization by resident endothelial cells following myocardial infarction, European Heart Journal—單細胞轉(zhuǎn)錄組分析揭示了心肌梗死后內(nèi)皮細胞調(diào)節(jié)心臟新生血管的新靶點（心臟內(nèi)皮細胞的單細胞圖譜）

更好地理解調(diào)節(jié)冠狀動脈血管再生的途徑對于提高心臟病患者的治療策略具有根本的重要性。因此本研究旨在研究心肌梗死(MI)后成年小鼠心臟中與新生血管相關的內(nèi)皮細胞(ECs)的起源和克隆動力學。此外試圖定義小鼠心臟內(nèi)皮細胞的異質(zhì)性，并在單細胞分辨率下表征成年小鼠心臟中促血管生成的常駐ECs的轉(zhuǎn)錄譜。EC特定的多譜系示蹤小鼠用來證明心肌梗死后成年心臟內(nèi)皮的結(jié)構(gòu)完整性是通過梗塞邊緣區(qū)域常駐的ECs的克隆增殖來維持的，而骨髓細胞或內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化沒有顯著貢獻。定義了10種轉(zhuǎn)錄上離散的不均一的EC狀態(tài)，以及每一種內(nèi)皮狀態(tài)在缺血損傷后可能促進新血管生成和組織再生的途徑。質(zhì)膜囊泡相關蛋白(Plvap)被選擇進行進一步研究，發(fā)現(xiàn)其在缺血小鼠和人心臟中均具有內(nèi)皮特異性及表達的增加，而且在體外實驗中直接調(diào)控人內(nèi)皮細胞增殖。

 

E. 組織再生相關

11. Single-cell transcriptomes of the regenerating intestine reveal a revival stem cell, Nature—再生的腸道單細胞轉(zhuǎn)錄組揭示了一種復蘇的干細胞（腸道中發(fā)現(xiàn)新的細胞）

細胞的可塑性或不同的細胞類型是否對腸道的再生至關重要還不得而知，利用scRNA-seq研究再生的小鼠腸道發(fā)現(xiàn)了一種獨特的、損傷誘導沉默的細胞類型，將其命名為復蘇的干細胞(revival stem cell, revSC)。revSC具有高表達的叢生蛋白特征，在內(nèi)穩(wěn)態(tài)條件下異常罕見，而且引起所有主要的腸道細胞類型以短暫的聚類，包括LGR5+ CBC細胞(crypt-base columnar cells)。在輻射誘導腸道損傷后，靶向消融LGR5+ CBC細胞，或用右旋糖酐硫酸酯鈉進行處理，revSCs經(jīng)歷依賴于YAP1的瞬時擴張，重建了LGR5+ CBC的劃分(compartment)，并且對功能性的腸道再生是需要的。因此，這些研究定義了一種獨特的干細胞，這種干細胞通過損傷被動員起來，以恢復內(nèi)穩(wěn)態(tài)的干細胞劃分并再生腸上皮細胞。

 

12. Identification of a regeneration-organizing cell in the Xenopus tail, Science—非洲爪蟾尾巴中發(fā)現(xiàn)再生組織細胞（爪蟾尾巴中發(fā)現(xiàn)新的細胞類型）

不像哺乳類動物，非洲爪蟾蝌蚪具有高度再生的潛能。為了表征其再生的反應，在尾巴截斷后利用scRNA-seq進行研究。通過比較自然發(fā)生的有再生能力和無再生能力的蝌蚪，發(fā)現(xiàn)一種以前未識別的細胞類型，特命名為再生組織細胞(ROC)。ROCs在正常的尾巴發(fā)育階段出現(xiàn)在表皮部位，并且特異性地定位在具有再生能力的蝌蚪的截斷面，形成創(chuàng)傷表皮。基因消融或者手動去除ROCs會阻斷再生，而移植含有ROC的移植物會誘導早期胚胎的異常生長。轉(zhuǎn)錄表征發(fā)現(xiàn)ROCs分泌的配體與關鍵的再生通路相關，對祖細胞能夠傳遞重建失去組織的信號。這些發(fā)現(xiàn)揭示了ROCs形成創(chuàng)傷表皮以及確保成功的再生相關的細胞學機制。

 

13. High-dimensional single-cell cartography reveals novel skeletal muscle-resident cell populations, Molecular Cell—高維的單細胞圖譜顯示新的骨骼肌定位的細胞群（骨骼肌中發(fā)現(xiàn)新的細胞群）

骨骼肌的再生能力依賴于肌肉衛(wèi)星細胞(MuSCs)以及與生態(tài)龕中不同類型細胞的相互影響。然而，對骨骼肌組織中的細胞組成的認知仍然有限。因此本文結(jié)合單細胞RNA測序和細胞計數(shù)的方法，在成年小鼠的肌肉中精確地繪制了10種不同的單核的細胞類型。同時對每種細胞類型表征了其基因特征，確定了關鍵的識別的標志物。而且在間質(zhì)的部分發(fā)現(xiàn)了兩種先前未被研究的細胞群。該研究呈現(xiàn)的細胞藍圖對肌肉定位的細胞類型的識別提供了重要的視角，并且能夠用于肌肉相關疾病的研究。

 

F. 腫瘤相關

 

14. Single-cell profiling of cutaneous T-cell lymphoma reveals underlying heterogeneity associated with disease progression, Clinical Cancer Research—皮膚T細胞淋巴瘤的單細胞特征顯示潛在的異質(zhì)性與疾病進展相關（皮膚T細胞淋巴瘤發(fā)現(xiàn)新的標志物，預測疾病狀態(tài)）

利用單細胞RNA測序和單細胞VDJ測序方法檢測配對的分離的SS(Sézary綜合征，皮膚T細胞淋巴瘤的一種侵略形式)細胞和相應的正常CD4+ T細胞。利用這一特殊的數(shù)據(jù)，研究其中惡性細胞群的異質(zhì)性轉(zhuǎn)錄組特征的程度及軌跡，能夠發(fā)現(xiàn)SS新的標志物以助于對皮膚T細胞淋巴瘤(CTCL)進行檢測、診斷和分期。進一步將發(fā)現(xiàn)的結(jié)果應用在已發(fā)表的CTCL患者數(shù)據(jù)中以驗證該方法的效力，證實了當與基于AI方法協(xié)調(diào)利用時，轉(zhuǎn)錄本可以被識別用于區(qū)別早期和晚期的疾病。