2019年5月10x平台单细胞转录组应用集锦

发稿时间：2019-06-17来源：天昊生物

A. 发育相关

1. Molecular recording of mammalian embryogenesis, Nature—哺乳动物胚胎形成的分子记录（揭示胚胎发育状态）

个体发生学描述的是复杂的多细胞生物如何从单个全能细胞发育而来，这一领域在哺乳动物中尤其具有挑战性，因为这些动物的自我更新和分化、祖细胞大小的变化和内部妊娠之间存在不确定的关系。这项研究开发并验证了一项同时报告小鼠细胞状态和谱系历史(lineage history)的方法。结合CRISPR–Cas9、谱系示踪(lineage tracer)、单细胞RNA测序(scRNA-seq)等技术揭示了不同组织类型间经典的发育关系，显示了胚外和胚胎起源的内胚层细胞近乎完整的转录收敛性。其中利用scRNA-seq对谱系示踪的胚胎的22,264个细胞进行分析，随后整合数据进行了单细胞谱系构建。通过使用这样的记录器(recorder)作为一个不断进化的谱系示踪器，观察小鼠胚胎发生的命运图，概括典型的模式，并说明谱系信息如何有助于识别新的细胞类型。

 

2. Single-cell RNA-seq analysis of retinal development identifies NFI factors as regulating mitotic exit and late-born cell specification, Neuron—单细胞RNA测序分析视网膜发育发现NFI因子能够调控有丝分裂退出及晚生细胞的特化（视网膜细胞发育图谱）

神经元祖细胞中基因表达的精确的时间控制对于准确的调控神经形成和细胞命运特化是必需的。然而发育中的中枢神经系统的细胞异质性对于发现控制这些过程的基因调控网络来说是一大障碍。因此利用单细胞RNA测序的方法解析包括完整的视网膜神经生成的10个发育阶段。借此能够深入地表征神经生成起始阶段的基因表达变化、发育能力的变化以及每种主要视网膜细胞类型的特化和分化。其中发现NFI转录因子(Nfia, Nfib, Nfix)选择性地表达在后期的视网膜祖细胞中，而且其控制了两极中间神经元和Muller神经胶质细胞命运特化，并且促进了增殖的沉默。

 

3. Human pluripotency is initiated and preserved by a unique subset of founder cells, Cell—人的多能性的起始和维持受到一群独特的创始细胞的影响（发现新的多能干细胞）

有组织的菌落聚集是体外多能性起源或诱导的最早的表现形式，然而这种聚集的必要性或起源不得而知。该研究发现人的多能founder细胞(hPFCs)能够起始、维持并且建立多能干细胞(PSC)的培养。hPFCs以NCAD+的表达为标志，而且特异性地定位在PSCs的菌落边缘。功能分析表明，hPFCs拥有PSC培养的克隆形成能力，并且在多能性重编程相关表型之前出现。灵长类胚胎移植前后的比较单细胞分析显示hPFCs与原始内胚层(PrE)共享特征属性，而且受非经典的Wnt信号通路调控。In vivo通过灵长类胚胎组织确定了一类founder细胞对多能性状态的建立至关重要。

 

B. 骨髓相关

4. The bone marrow microenvironment at single-cell resolution, Nature—单细胞分辨率下的骨髓微环境（骨髓微环境图谱）

骨髓微环境对调节造血作用具有至关重要的影响，但是其分子复杂性及对应激的反应并未完全被理解。本文在内稳态及压力诱导的造血作用这两种条件下，绘制了小鼠骨髓血管、血管周围及成骨细胞群的单细胞分辨率下转录组图谱。分析发现了骨髓生态龛(niche)中先前未被“欣赏”的细胞异质性水平，并且确定了造血前生长因子、趋化因子及膜结合的配体的细胞来源。研究证实了在应激条件下对生态龛元素重要的转录组重建，包括血管周围细胞的脂肪细胞偏移。在压力诱导的改变中，观察到血管Notch delta样配体(由Dll1和Dll4编码)的下调。在血管Dll4缺失的情况下，造血干细胞过早地诱导一种骨髓转录程序。这些发现改善了对于骨髓生态龛细胞架构的理解，显示了对压力高度敏感的分子图谱的动态性和异质性，同时也说明单细胞转录组数据能够很好地用于评价离散的生态龛群体对造血作用的调控。

 

5. A cellular taxonomy of the bone marrow stroma in homeostasis and leukemia, Cell—内稳态和白血病状态下的骨髓基质细胞图谱（骨髓基质细胞图谱）

基质细胞事实上是每种器官中未明确定义的非实质成分，其在器官发育、内稳态及修复过程中扮演重要的角色。骨髓基质细胞的研究已经明确干细胞生态龛中的个别的细胞群调控造血再生，能够引起白血病。利用单细胞RNA测序确定小鼠骨髓基质细胞的细胞分类及在恶性肿瘤条件下的扰乱作用。鉴定了17种基质细胞亚型表达独特的造血调控基因，包括新的成纤维细胞及成骨细胞亚群。形成的急性髓性白血病损伤了间叶细胞的成骨分化，并且降低了那些对正常造血作用必需的调控分子。这些数据说明组织基质细胞对恶性细胞的反应靠使正常实质细胞处于不利地位。基质细胞的分类对于骨髓细胞提供了深入的研究分析，并且对癌细胞与特定的基质细胞间的相互影响提供了实验支撑。

 

6. Myeloid cells in liver and bone marrow acquire a functionally distinct inflammatory phenotype during obesity-related steatohepatitis, Gut—肥胖相关的脂肪性肝炎期间肝脏中的骨髓细胞及骨髓获得一种功能性独特的炎症表型（肝炎中揭示细胞状态的变化）

在肥胖相关的非酒精性脂肪肝(NAFLD)向脂肪性肝炎(NASH)发展的过程中，骨髓来源的髓细胞以单核细胞和巨噬细胞的形式在肝脏中积累。髓细胞包括不均一的亚群，饮食营养过剩可能影响肝脏和骨髓中的巨噬细胞。因此本文旨在深入研究脂肪肝中髓细胞的功能适应性。给C57BL/6小鼠喂食高脂、高糖、高胆固醇的“西式饮食”16周，利用scRNA-seq分析其在肥胖相关的NAFLD期间肝脏和骨髓来源的骨髓细胞的异质性，并且in vitro表征NAFLD驱动的巨噬细胞的功能适应性及in vivo在NASH期间的功能相关性。其中利用scRNA-seq发现一种常见的NAFLD髓细胞表型特征的改变，包括炎症性标志物--钙网蛋白(S100A8/A9)在肝脏单核细胞、巨噬细胞、树突细胞及骨髓前体细胞中基因表达的下调。

 

C. 大脑相关

7. Single-cell transcriptomic analysis of Alzheimer’s disease, Nature—阿尔茨海默症单细胞转录组分析（阿尔茨海默症前额皮质细胞转录组图谱）

阿尔茨海默症是一种普遍的神经退行性疾病，其分子的复杂性仍知之甚少。因此本文对来源于48位不同阿尔茨海默症病理程度的个体的前额皮质中80,660个细胞进行了单核转录组测序。在6种主要的脑细胞类型中，发现了转录上不同的细胞亚群，包括与病理相关的细胞类型，以髓鞘形成、炎症和神经元生存的调控因子进行表征。与疾病相关的最强变化出现在病理进展的早期，且具有高度的细胞类型特异性，然而在晚期上调的基因在多种细胞类型中均出现，并且主要参与整体的应激反应。值得注意的是，发现了女性的细胞在与疾病相关的亚群中比例更高，而且在包括少突胶质细胞在内的几种细胞类型中，转录反应在性别间存在显著差异。总之，髓鞘形成相关的过程在多种细胞类型中反复受到干扰，这表明髓鞘形成在阿尔茨海默病的病理生理中起着关键作用。该单细胞转录组资源为研究阿尔茨海默病的分子和细胞基础提供了蓝图。

 

8. A single-cell atlas of mouse brain macrophages reveals unique transcriptional identities shaped by ontogeny and tissue environment, Nature Neuroscience—小鼠大脑巨噬细胞单细胞图谱显示了独特的转录特征是由个体发生和组织环境形成（大脑巨噬细胞转录组图谱）

虽然实质小胶质细胞在脑内稳态和疾病中的作用相当清楚，但对其他脑内存在的骨髓细胞的了解仍然较少。通过解剖边缘区域，将单细胞RNA测序与高维细胞计数、细胞群RNA测序、命运映射(fate-mapping)和显微技术相结合，揭示了非实质脑巨噬细胞的多样性。位于硬脑膜、硬膜下脑膜和脉络丛内的边缘相关的巨噬细胞(BAMs)由具有组织特异性转录特征的不同亚群组成，它们的细胞组成在出生后发育过程中发生了变化。BAMs表现为混合的个体发生，亚群在耗竭和种群恢复后表现出明显的自我更新能力。单细胞和命运映射分析均表明，脉络丛上皮顶端表面存在一种独特的小胶质细胞亚群。最后，通过基因网络分析和条件性缺失发现IRF8是驱动脑巨噬细胞成熟和多样性的主要调控因子。该研究结果为理解健康和病变大脑中宿主-巨噬细胞的相互作用提供了一个框架。

 

D. 心血管相关

 

9. Single cell analysis of the normal mouse aorta reveals functionally distinct endothelial cell populations, Circulation—正常小鼠主动脉的单细胞分析显示功能不同的内皮细胞群（主动脉单细胞图谱）

形成动脉壁的细胞会导致多种血管疾病，而这些细胞群的细胞异质性程度尚未得到充分的表征。单细胞RNA测序的最新进展使得识别和表征细胞亚群成为可能。本文验证了一种在正常血管中生成基于液滴的基因表达单细胞图谱的方法，通过酶解四只完整的小鼠主动脉后，对10,000多个细胞进行单细胞测序。通过对主动脉细胞基因表达的聚类分析，确定了代表每一种主要动脉细胞类型的10个细胞亚群—成纤维细胞、血管平滑肌细胞、内皮细胞(ECs)和免疫细胞（包括单核细胞、巨噬细胞和淋巴细胞）。最显著的细胞异质性出现在3种不同的EC群体中。对这些EC亚群的基因集富集分析发现了1个淋巴管EC簇和另外2个更专门于脂蛋白处理、血管生成和细胞外基质生成的细胞群。这些亚群在对西式饮食的反应中持续存在并表现出类似的基因表达变化。Vcam1和Cd36的免疫荧光证实了整个主动脉EC亚群的区域异质性。

 

10. Single-cell transcriptome analyses reveal novel targets modulating cardiac neovascularization by resident endothelial cells following myocardial infarction, European Heart Journal—单细胞转录组分析揭示了心肌梗死后内皮细胞调节心脏新生血管的新靶点（心脏内皮细胞的单细胞图谱）

更好地理解调节冠状动脉血管再生的途径对于提高心脏病患者的治疗策略具有根本的重要性。因此本研究旨在研究心肌梗死(MI)后成年小鼠心脏中与新生血管相关的内皮细胞(ECs)的起源和克隆动力学。此外试图定义小鼠心脏内皮细胞的异质性，并在单细胞分辨率下表征成年小鼠心脏中促血管生成的常驻ECs的转录谱。EC特定的多谱系示踪小鼠用来证明心肌梗死后成年心脏内皮的结构完整性是通过梗塞边缘区域常驻的ECs的克隆增殖来维持的，而骨髓细胞或内皮间充质转化没有显著贡献。定义了10种转录上离散的不均一的EC状态，以及每一种内皮状态在缺血损伤后可能促进新血管生成和组织再生的途径。质膜囊泡相关蛋白(Plvap)被选择进行进一步研究，发现其在缺血小鼠和人心脏中均具有内皮特异性及表达的增加，而且在体外实验中直接调控人内皮细胞增殖。

 

E. 组织再生相关

11. Single-cell transcriptomes of the regenerating intestine reveal a revival stem cell, Nature—再生的肠道单细胞转录组揭示了一种复苏的干细胞（肠道中发现新的细胞）

细胞的可塑性或不同的细胞类型是否对肠道的再生至关重要还不得而知，利用scRNA-seq研究再生的小鼠肠道发现了一种独特的、损伤诱导沉默的细胞类型，将其命名为复苏的干细胞(revival stem cell, revSC)。revSC具有高表达的丛生蛋白特征，在内稳态条件下异常罕见，而且引起所有主要的肠道细胞类型以短暂的聚类，包括LGR5+ CBC细胞(crypt-base columnar cells)。在辐射诱导肠道损伤后，靶向消融LGR5+ CBC细胞，或用右旋糖酐硫酸酯钠进行处理，revSCs经历依赖于YAP1的瞬时扩张，重建了LGR5+ CBC的划分(compartment)，并且对功能性的肠道再生是需要的。因此，这些研究定义了一种独特的干细胞，这种干细胞通过损伤被动员起来，以恢复内稳态的干细胞划分并再生肠上皮细胞。

 

12. Identification of a regeneration-organizing cell in the Xenopus tail, Science—非洲爪蟾尾巴中发现再生组织细胞（爪蟾尾巴中发现新的细胞类型）

不像哺乳类动物，非洲爪蟾蝌蚪具有高度再生的潜能。为了表征其再生的反应，在尾巴截断后利用scRNA-seq进行研究。通过比较自然发生的有再生能力和无再生能力的蝌蚪，发现一种以前未识别的细胞类型，特命名为再生组织细胞(ROC)。ROCs在正常的尾巴发育阶段出现在表皮部位，并且特异性地定位在具有再生能力的蝌蚪的截断面，形成创伤表皮。基因消融或者手动去除ROCs会阻断再生，而移植含有ROC的移植物会诱导早期胚胎的异常生长。转录表征发现ROCs分泌的配体与关键的再生通路相关，对祖细胞能够传递重建失去组织的信号。这些发现揭示了ROCs形成创伤表皮以及确保成功的再生相关的细胞学机制。

 

13. High-dimensional single-cell cartography reveals novel skeletal muscle-resident cell populations, Molecular Cell—高维的单细胞图谱显示新的骨骼肌定位的细胞群（骨骼肌中发现新的细胞群）

骨骼肌的再生能力依赖于肌肉卫星细胞(MuSCs)以及与生态龛中不同类型细胞的相互影响。然而，对骨骼肌组织中的细胞组成的认知仍然有限。因此本文结合单细胞RNA测序和细胞计数的方法，在成年小鼠的肌肉中精确地绘制了10种不同的单核的细胞类型。同时对每种细胞类型表征了其基因特征，确定了关键的识别的标志物。而且在间质的部分发现了两种先前未被研究的细胞群。该研究呈现的细胞蓝图对肌肉定位的细胞类型的识别提供了重要的视角，并且能够用于肌肉相关疾病的研究。

 

F. 肿瘤相关

 

14. Single-cell profiling of cutaneous T-cell lymphoma reveals underlying heterogeneity associated with disease progression, Clinical Cancer Research—皮肤T细胞淋巴瘤的单细胞特征显示潜在的异质性与疾病进展相关（皮肤T细胞淋巴瘤发现新的标志物，预测疾病状态）

利用单细胞RNA测序和单细胞VDJ测序方法检测配对的分离的SS(Sézary综合征，皮肤T细胞淋巴瘤的一种侵略形式)细胞和相应的正常CD4+ T细胞。利用这一特殊的数据，研究其中恶性细胞群的异质性转录组特征的程度及轨迹，能够发现SS新的标志物以助于对皮肤T细胞淋巴瘤(CTCL)进行检测、诊断和分期。进一步将发现的结果应用在已发表的CTCL患者数据中以验证该方法的效力，证实了当与基于AI方法协调利用时，转录本可以被识别用于区别早期和晚期的疾病。