人體是由多種組織與器官共同構(gòu)成的多細(xì)胞生命體，細(xì)胞作為核心單元，在維持人體的體內(nèi)平衡發(fā)揮著重要作用。因此，識(shí)別人體器官細(xì)胞的特征及其相互作用對(duì)研究與疾病相關(guān)的生物學(xué)機(jī)制具有重要意義。

作為一種新興技術(shù)，單細(xì)胞 RNA 測(cè)序（scRNA-seq）可以同時(shí)得到數(shù)千個(gè)單個(gè)細(xì)胞內(nèi)大量基因的表達(dá)信息，從而揭示不同細(xì)胞類型的轉(zhuǎn)錄組特征及細(xì)胞間異質(zhì)性，這有助于在單細(xì)胞水平下研究人體組織和器官發(fā)育。已有研究利用 scRNA-seq 繪制了許多人類和小鼠的器官單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜（如大腦、肺、腎臟及皮膚等），然而這些研究大多來(lái)自于不同個(gè)體或者聚焦于具有疾病癥狀的特定器官。同一個(gè)體中多個(gè)器官的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄圖譜及器官間異質(zhì)性問題目前尚未報(bào)道過(guò)。

為 tian 補(bǔ)這領(lǐng)域一空白，近日，何曉順 / 貝錦新 / 郭志勇合作團(tuán)隊(duì)利用 scRNA-seq 在單細(xì)胞水平上分析了來(lái)自同一個(gè)成年個(gè)體的 15 個(gè)器官的超過(guò) 84,000 個(gè)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，對(duì)不同細(xì)胞類型進(jìn)行了組織內(nèi)和組織間的全面比較，繪制了成人細(xì)胞圖譜。該研究已發(fā)表在 Genome Biology 上，文章題為“Single-cell transcriptome profiling of an adult human cell atlas of 15 major organs”。

文章發(fā)表于 Genome Biology 期刊

研究者從一名成人捐贈(zèng)者的 15 個(gè)不同器官的組織樣本中提取出可存活的單細(xì)胞，樣品處理后對(duì)其進(jìn)行高通量測(cè)序，檢測(cè)分析了 84,363 個(gè)細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組，繪制了成人人類細(xì)胞圖譜（包括 252 個(gè)細(xì)胞亞型）。在該捐贈(zèng)者的多個(gè)組織樣本中發(fā)現(xiàn)了一些新的細(xì)胞亞型，如：汗腺上皮細(xì)胞、Coch+ 成纖維細(xì)胞和 FibSmo 細(xì)胞，與多重免疫熒光染色分析結(jié)果一致。此外，通過(guò)聚類分析確定了 15 個(gè)器官中的 43 個(gè)簇，進(jìn)一步鑒定了幾種主要細(xì)胞類型（T 細(xì)胞、B 細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、髓系細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞）的多個(gè)簇，反映了它們的異質(zhì)性轉(zhuǎn)錄圖譜。

圖 1.  人體 15 個(gè)器官組織的 scRNA-seq 概述

發(fā)育狀態(tài)下 T 細(xì)胞異質(zhì)性及其在體內(nèi)克隆性

scRNA-seq 結(jié)果顯示，在該捐贈(zèng)者的大多數(shù)器官組織的免疫細(xì)胞中總共存在 20,034 個(gè) T 細(xì)胞，根據(jù)基因圖譜可分為 7,006 個(gè) CD4+ T 細(xì)胞（11 個(gè)簇）和 11,286 個(gè) CD8+ T 細(xì)胞（21 個(gè)簇），兩類 T 細(xì)胞簇均呈現(xiàn)器官特異性分布且有差異表達(dá)的基因。軌跡分析顯示，在具有終末發(fā)育狀態(tài)的非淋巴器官中，有明確的從 TN cell 到 TEFF  細(xì)胞再到 CD4+ 和  CD8+TRM 細(xì)胞的發(fā)育路徑，且 TRM 細(xì)胞具有發(fā)育可塑性，而不是代表分化的終末階段。

隨后，研究者通過(guò)單細(xì)胞調(diào)控網(wǎng)絡(luò)推斷和聚類（SCENIC）分析評(píng)估驅(qū)動(dòng) T 細(xì)胞差異基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子（TFs）。結(jié)果顯示存在多個(gè) TFs 聯(lián)合調(diào)控 T 細(xì)胞的發(fā)育，以維持 CD4+ 和 CD8+ T 細(xì)胞的異質(zhì)狀態(tài)。研究者通過(guò) TCR 克隆分型和轉(zhuǎn)錄組分析研究不同組織中 T 細(xì)胞亞型之間的克隆性和動(dòng)態(tài)關(guān)系，結(jié)果顯示 CD4+ T 細(xì)胞在組織中多為具有獨(dú)特 TCR 克隆型的單一細(xì)胞，但在肌肉、膽總管和骨髓中均有較高比例的相同 TCR 克隆型或克隆擴(kuò)增的多細(xì)胞；而在所有組織中，CD8+ T 細(xì)胞均出現(xiàn)克隆擴(kuò)增。此外，基于 TCR 追蹤的觀察結(jié)果表明，不同的 T 細(xì)胞通過(guò)克隆擴(kuò)增和轉(zhuǎn)化在人體內(nèi)廣泛存在。（圖 2）

圖 2.  人體器官中 T 細(xì)胞的異質(zhì)性、發(fā)育和克隆性  

B 細(xì)胞和漿細(xì)胞的異質(zhì)性

聚類分析顯示來(lái)自 11 個(gè)器官樣本的 10,100 個(gè) B 細(xì)胞和漿細(xì)胞，其中包括 9 個(gè) B 細(xì)胞簇（CD20）和 6 個(gè)漿細(xì)胞簇（SDC1）。差異基因表達(dá)（DEG）分析顯示 B 細(xì)胞與漿細(xì)胞具有不同的基因圖譜。SCIEIC 分析顯示 TFs 在 B 細(xì)胞和漿細(xì)胞中顯示出相似的活動(dòng)，但在兩種細(xì)胞間具有不同的模式，且 TFs 可能調(diào)節(jié) B 細(xì)胞向漿細(xì)胞的發(fā)展。研究者通過(guò)單細(xì)胞 BCR 測(cè)序分析探索了器官組織中 B 細(xì)胞簇和漿細(xì)胞簇的克隆性。結(jié)果顯示，與漿細(xì)胞和 T 細(xì)胞相比，B 細(xì)胞的擴(kuò)增和轉(zhuǎn)化能力較低，但由于檢測(cè)到的克隆 B 細(xì)胞數(shù)量有限，不能充分代表多樣化 B 細(xì)胞譜系的豐富性。

接下來(lái)，研究者采用類似實(shí)驗(yàn)方法探究了髓系細(xì)胞的異質(zhì)性，發(fā)現(xiàn)獨(dú)特的 TFs 組合有助于塑造正常人體中骨髓細(xì)胞的不同狀態(tài)。隨后又研究了組織內(nèi)和組織間上皮細(xì)胞的相似性和異質(zhì)性，結(jié)果表明，在器官內(nèi)和器官間都存在上皮細(xì)胞的異質(zhì)性，且組織內(nèi)細(xì)胞簇的分組比組織間更緊密，且 TFs 可能導(dǎo)致組織間上皮細(xì)胞的異質(zhì)性，而組織中的上皮細(xì)胞可能具有相似的 TF 激活模式。之后又探究了基質(zhì)細(xì)胞的相似性和異質(zhì)性，對(duì)兩類內(nèi)皮細(xì)胞（BECs，LECs）進(jìn)行檢測(cè)分析。結(jié)果顯示，大多數(shù)集群的 BECs 和 LECs 具有共同的內(nèi)皮功能，集群中的細(xì)胞是以器官特有的方式分組的。

組織內(nèi)和組織間復(fù)雜而廣泛的細(xì)胞間通信網(wǎng)絡(luò)  

基于 475 個(gè)配體 - 受體，研究者觀察到細(xì)胞類型和組織之間共 20,630 個(gè)顯著的相互作用，MIF_CD74、HBEGF_CD44、MIF_TNFRSF14、CD55_ADGRE5 和 APP_CD74 是不同細(xì)胞類型中頻繁的五個(gè)相互作用，髓系細(xì)胞是與其它類型細(xì)胞相互作用活躍的細(xì)胞類型。不同密度的器官組織之間存在廣泛的相互作用；并且器官之間存在潛在的調(diào)控溝通，髓系細(xì)胞、CD8+ T 細(xì)胞和上皮細(xì)胞是細(xì)胞間相互作用的核心節(jié)點(diǎn)。

圖 3.  組織間的細(xì)胞間通訊網(wǎng)絡(luò)

綜上所述，該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)繪制成人人類細(xì)胞圖譜（AHCA）揭示了人體主要器官中細(xì)胞的異質(zhì)性，描繪了主要細(xì)胞類型的發(fā)展軌跡，并鑒定出可能在維持人體體內(nèi)平衡及人類疾病發(fā)展中起到重要作用的新型細(xì)胞類型和關(guān)鍵分子事件。這為研究人類細(xì)胞的生物學(xué)機(jī)制提供了有力的資源。AHCA 可從 http://research.gzsums.net:8888 獲得。

參考文獻(xiàn)：

 He S, Wang LH, Liu Y, Li YQ, Chen HT, Xu JH, Peng W, Lin GW, Wei PP, Li B, Xia X, Wang D, Bei JX, He X, Guo Z. Single-cell transcriptome profiling of an adult human cell atlas of 15 major organs. Genome Biol. 2020 Dec 7;21(1):294. doi: 10.1186/s13059-020-02210-0. PMID: 33287869.

轉(zhuǎn)載：測(cè)序中國(guó)（侵刪）

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