2019年5月10x平臺(tái)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組應(yīng)用集錦

發(fā)稿時(shí)間：2019-06-17來源：天昊生物

A. 發(fā)育相關(guān)

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

個(gè)體發(fā)生學(xué)描述的是復(fù)雜的多細(xì)胞生物如何從單個(gè)全能細(xì)胞發(fā)育而來，這一領(lǐng)域在哺乳動(dòng)物中尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@些動(dòng)物的自我更新和分化、祖細(xì)胞大小的變化和內(nèi)部妊娠之間存在不確定的關(guān)系。這項(xiàng)研究開發(fā)并驗(yàn)證了一項(xiàng)同時(shí)報(bào)告小鼠細(xì)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(xì)胞RNA測(cè)序(scRNA-seq)等技術(shù)揭示了不同組織類型間經(jīng)典的發(fā)育關(guān)系，顯示了胚外和胚胎起源的內(nèi)胚層細(xì)胞近乎完整的轉(zhuǎn)錄收斂性。其中利用scRNA-seq對(duì)譜系示蹤的胚胎的22,264個(gè)細(xì)胞進(jìn)行分析，隨后整合數(shù)據(jù)進(jìn)行了單細(xì)胞譜系構(gòu)建。通過使用這樣的記錄器(recorder)作為一個(gè)不斷進(jìn)化的譜系示蹤器，觀察小鼠胚胎發(fā)生的命運(yùn)圖，概括典型的模式，并說明譜系信息如何有助于識(shí)別新的細(xì)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(xì)胞RNA測(cè)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(xì)胞的特化（視網(wǎng)膜細(xì)胞發(fā)育圖譜）

神經(jīng)元祖細(xì)胞中基因表達(dá)的精確的時(shí)間控制對(duì)于準(zhǔn)確的調(diào)控神經(jīng)形成和細(xì)胞命運(yùn)特化是必需的。然而發(fā)育中的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的細(xì)胞異質(zhì)性對(duì)于發(fā)現(xiàn)控制這些過程的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來說是一大障礙。因此利用單細(xì)胞RNA測(cè)序的方法解析包括完整的視網(wǎng)膜神經(jīng)生成的10個(gè)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(dá)變化、發(fā)育能力的變化以及每種主要視網(wǎng)膜細(xì)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(dá)在后期的視網(wǎng)膜祖細(xì)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(xì)胞命運(yùn)特化，并且促進(jìn)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(dú)特的創(chuàng)始細(xì)胞的影響（發(fā)現(xiàn)新的多能干細(xì)胞）

有組織的菌落聚集是體外多能性起源或誘導(dǎo)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(xì)胞(hPFCs)能夠起始、維持并且建立多能干細(xì)胞(PSC)的培養(yǎng)。hPFCs以NCAD+的表達(dá)為標(biāo)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(guān)表型之前出現(xiàn)。靈長類胚胎移植前后的比較單細(xì)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(hào)通路調(diào)控。In vivo通過靈長類胚胎組織確定了一類founder細(xì)胞對(duì)多能性狀態(tài)的建立至關(guān)重要。

 

B. 骨髓相關(guān)

4. The bone marrow microenvironment at single-cell resolution, Nature—單細(xì)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(duì)調(diào)節(jié)造血作用具有至關(guān)重要的影響，但是其分子復(fù)雜性及對(duì)應(yīng)激的反應(yīng)并未完全被理解。本文在內(nèi)穩(wěn)態(tài)及壓力誘導(dǎo)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(xì)胞群的單細(xì)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(xì)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(xì)胞來源。研究證實(shí)了在應(yīng)激條件下對(duì)生態(tài)龕元素重要的轉(zhuǎn)錄組重建，包括血管周圍細(xì)胞的脂肪細(xì)胞偏移。在壓力誘導(dǎo)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(xì)胞過早地誘導(dǎo)一種骨髓轉(zhuǎn)錄程序。這些發(fā)現(xiàn)改善了對(duì)于骨髓生態(tài)龕細(xì)胞架構(gòu)的理解，顯示了對(duì)壓力高度敏感的分子圖譜的動(dòng)態(tài)性和異質(zhì)性，同時(shí)也說明單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)能夠很好地用于評(píng)價(jià)離散的生態(tài)龕群體對(duì)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(xì)胞圖譜（骨髓基質(zhì)細(xì)胞圖譜）

基質(zhì)細(xì)胞事實(shí)上是每種器官中未明確定義的非實(shí)質(zhì)成分，其在器官發(fā)育、內(nèi)穩(wěn)態(tài)及修復(fù)過程中扮演重要的角色。骨髓基質(zhì)細(xì)胞的研究已經(jīng)明確干細(xì)胞生態(tài)龕中的個(gè)別的細(xì)胞群調(diào)控造血再生，能夠引起白血病。利用單細(xì)胞RNA測(cè)序確定小鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞的細(xì)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(xì)胞亞型表達(dá)獨(dú)特的造血調(diào)控基因，包括新的成纖維細(xì)胞及成骨細(xì)胞亞群。形成的急性髓性白血病損傷了間葉細(xì)胞的成骨分化，并且降低了那些對(duì)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(xì)胞對(duì)惡性細(xì)胞的反應(yīng)靠使正常實(shí)質(zhì)細(xì)胞處于不利地位。基質(zhì)細(xì)胞的分類對(duì)于骨髓細(xì)胞提供了深入的研究分析，并且對(duì)癌細(xì)胞與特定的基質(zhì)細(xì)胞間的相互影響提供了實(shí)驗(yàn)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(guān)的脂肪性肝炎期間肝臟中的骨髓細(xì)胞及骨髓獲得一種功能性獨(dú)特的炎癥表型（肝炎中揭示細(xì)胞狀態(tài)的變化）

在肥胖相關(guān)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(xì)胞以單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的形式在肝臟中積累。髓細(xì)胞包括不均一的亞群，飲食營養(yǎng)過剩可能影響肝臟和骨髓中的巨噬細(xì)胞。因此本文旨在深入研究脂肪肝中髓細(xì)胞的功能適應(yīng)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(guān)的NAFLD期間肝臟和骨髓來源的骨髓細(xì)胞的異質(zhì)性，并且in vitro表征NAFLD驅(qū)動(dòng)的巨噬細(xì)胞的功能適應(yīng)性及in vivo在NASH期間的功能相關(guān)性。其中利用scRNA-seq發(fā)現(xiàn)一種常見的NAFLD髓細(xì)胞表型特征的改變，包括炎癥性標(biāo)志物--鈣網(wǎng)蛋白(S100A8/A9)在肝臟單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、樹突細(xì)胞及骨髓前體細(xì)胞中基因表達(dá)的下調(diào)。

 

C. 大腦相關(guān)

7. Single-cell transcriptomic analysis of Alzheimer’s disease, Nature—阿爾茨海默癥單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析（阿爾茨海默癥前額皮質(zhì)細(xì)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(fù)雜性仍知之甚少。因此本文對(duì)來源于48位不同阿爾茨海默癥病理程度的個(gè)體的前額皮質(zhì)中80,660個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了單核轉(zhuǎn)錄組測(cè)序。在6種主要的腦細(xì)胞類型中，發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)錄上不同的細(xì)胞亞群，包括與病理相關(guān)的細(xì)胞類型，以髓鞘形成、炎癥和神經(jīng)元生存的調(diào)控因子進(jìn)行表征。與疾病相關(guān)的最強(qiáng)變化出現(xiàn)在病理進(jìn)展的早期，且具有高度的細(xì)胞類型特異性，然而在晚期上調(diào)的基因在多種細(xì)胞類型中均出現(xiàn)，并且主要參與整體的應(yīng)激反應(yīng)。值得注意的是，發(fā)現(xiàn)了女性的細(xì)胞在與疾病相關(guān)的亞群中比例更高，而且在包括少突膠質(zhì)細(xì)胞在內(nèi)的幾種細(xì)胞類型中，轉(zhuǎn)錄反應(yīng)在性別間存在顯著差異。總之，髓鞘形成相關(guān)的過程在多種細(xì)胞類型中反復(fù)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(guān)鍵作用。該單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組資源為研究阿爾茨海默病的分子和細(xì)胞基礎(chǔ)提供了藍(lán)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(xì)胞單細(xì)胞圖譜顯示了獨(dú)特的轉(zhuǎn)錄特征是由個(gè)體發(fā)生和組織環(huán)境形成（大腦巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜）

雖然實(shí)質(zhì)小膠質(zhì)細(xì)胞在腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)和疾病中的作用相當(dāng)清楚，但對(duì)其他腦內(nèi)存在的骨髓細(xì)胞的了解仍然較少。通過解剖邊緣區(qū)域，將單細(xì)胞RNA測(cè)序與高維細(xì)胞計(jì)數(shù)、細(xì)胞群RNA測(cè)序、命運(yùn)映射(fate-mapping)和顯微技術(shù)相結(jié)合，揭示了非實(shí)質(zhì)腦巨噬細(xì)胞的多樣性。位于硬腦膜、硬膜下腦膜和脈絡(luò)叢內(nèi)的邊緣相關(guān)的巨噬細(xì)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(xì)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(gè)體發(fā)生，亞群在耗竭和種群恢復(fù)后表現(xiàn)出明顯的自我更新能力。單細(xì)胞和命運(yùn)映射分析均表明，脈絡(luò)叢上皮頂端表面存在一種獨(dú)特的小膠質(zhì)細(xì)胞亞群。最后，通過基因網(wǎng)絡(luò)分析和條件性缺失發(fā)現(xiàn)IRF8是驅(qū)動(dòng)腦巨噬細(xì)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(xì)胞的相互作用提供了一個(gè)框架。

 

D. 心血管相關(guān)

 

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

形成動(dòng)脈壁的細(xì)胞會(huì)導(dǎo)致多種血管疾病，而這些細(xì)胞群的細(xì)胞異質(zhì)性程度尚未得到充分的表征。單細(xì)胞RNA測(cè)序的最新進(jìn)展使得識(shí)別和表征細(xì)胞亞群成為可能。本文驗(yàn)證了一種在正常血管中生成基于液滴的基因表達(dá)單細(xì)胞圖譜的方法，通過酶解四只完整的小鼠主動(dòng)脈后，對(duì)10,000多個(gè)細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞測(cè)序。通過對(duì)主動(dòng)脈細(xì)胞基因表達(dá)的聚類分析，確定了代表每一種主要?jiǎng)用}細(xì)胞類型的10個(gè)細(xì)胞亞群—成纖維細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞(ECs)和免疫細(xì)胞（包括單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞）。最顯著的細(xì)胞異質(zhì)性出現(xiàn)在3種不同的EC群體中。對(duì)這些EC亞群的基因集富集分析發(fā)現(xiàn)了1個(gè)淋巴管EC簇和另外2個(gè)更專門于脂蛋白處理、血管生成和細(xì)胞外基質(zhì)生成的細(xì)胞群。這些亞群在對(duì)西式飲食的反應(yīng)中持續(xù)存在并表現(xiàn)出類似的基因表達(dá)變化。Vcam1和Cd36的免疫熒光證實(shí)了整個(gè)主動(dòng)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(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析揭示了心肌梗死后內(nèi)皮細(xì)胞調(diào)節(jié)心臟新生血管的新靶點(diǎn)（心臟內(nèi)皮細(xì)胞的單細(xì)胞圖譜）

更好地理解調(diào)節(jié)冠狀動(dòng)脈血管再生的途徑對(duì)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(guān)的內(nèi)皮細(xì)胞(ECs)的起源和克隆動(dòng)力學(xué)。此外試圖定義小鼠心臟內(nèi)皮細(xì)胞的異質(zhì)性，并在單細(xì)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(xì)胞或內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化沒有顯著貢獻(xiàn)。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(jìn)新血管生成和組織再生的途徑。質(zhì)膜囊泡相關(guān)蛋白(Plvap)被選擇進(jìn)行進(jìn)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(dá)的增加，而且在體外實(shí)驗(yàn)中直接調(diào)控人內(nèi)皮細(xì)胞增殖。

 

E. 組織再生相關(guān)

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

細(xì)胞的可塑性或不同的細(xì)胞類型是否對(duì)腸道的再生至關(guān)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(dú)特的、損傷誘導(dǎo)沉默的細(xì)胞類型，將其命名為復(fù)蘇的干細(xì)胞(revival stem cell, revSC)。revSC具有高表達(dá)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(xì)胞類型以短暫的聚類，包括LGR5+ CBC細(xì)胞(crypt-base columnar cells)。在輻射誘導(dǎo)腸道損傷后，靶向消融LGR5+ CBC細(xì)胞，或用右旋糖酐硫酸酯鈉進(jìn)行處理，revSCs經(jīng)歷依賴于YAP1的瞬時(shí)擴(kuò)張，重建了LGR5+ CBC的劃分(compartment)，并且對(duì)功能性的腸道再生是需要的。因此，這些研究定義了一種獨(dú)特的干細(xì)胞，這種干細(xì)胞通過損傷被動(dòng)員起來，以恢復(fù)內(nèi)穩(wěn)態(tài)的干細(xì)胞劃分并再生腸上皮細(xì)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(xì)胞（爪蟾尾巴中發(fā)現(xiàn)新的細(xì)胞類型）

不像哺乳類動(dòng)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(yīng)，在尾巴截?cái)嗪?span>利用scRNA-seq進(jìn)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(shí)別的細(xì)胞類型，特命名為再生組織細(xì)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?cái)嗝?，形成?chuàng)傷表皮?；蛳诨蛘呤謩?dòng)去除ROCs會(huì)阻斷再生，而移植含有ROC的移植物會(huì)誘導(dǎo)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(guān)鍵的再生通路相關(guān)，對(duì)祖細(xì)胞能夠傳遞重建失去組織的信號(hào)。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(guān)的細(xì)胞學(xué)機(jī)制。

 

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

骨骼肌的再生能力依賴于肌肉衛(wèi)星細(xì)胞(MuSCs)以及與生態(tài)龕中不同類型細(xì)胞的相互影響。然而，對(duì)骨骼肌組織中的細(xì)胞組成的認(rèn)知仍然有限。因此本文結(jié)合單細(xì)胞RNA測(cè)序和細(xì)胞計(jì)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(xì)胞類型。同時(shí)對(duì)每種細(xì)胞類型表征了其基因特征，確定了關(guān)鍵的識(shí)別的標(biāo)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(xì)胞群。該研究呈現(xiàn)的細(xì)胞藍(lán)圖對(duì)肌肉定位的細(xì)胞類型的識(shí)別提供了重要的視角，并且能夠用于肌肉相關(guān)疾病的研究。

 

F. 腫瘤相關(guān)

 

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

利用單細(xì)胞RNA測(cè)序和單細(xì)胞VDJ測(cè)序方法檢測(cè)配對(duì)的分離的SS(Sézary綜合征，皮膚T細(xì)胞淋巴瘤的一種侵略形式)細(xì)胞和相應(yīng)的正常CD4+ T細(xì)胞。利用這一特殊的數(shù)據(jù)，研究其中惡性細(xì)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(biāo)志物以助于對(duì)皮膚T細(xì)胞淋巴瘤(CTCL)進(jìn)行檢測(cè)、診斷和分期。進(jìn)一步將發(fā)現(xiàn)的結(jié)果應(yīng)用在已發(fā)表的CTCL患者數(shù)據(jù)中以驗(yàn)證該方法的效力，證實(shí)了當(dāng)與基于AI方法協(xié)調(diào)利用時(shí)，轉(zhuǎn)錄本可以被識(shí)別用于區(qū)別早期和晚期的疾病。