人體是由多種組織與器官共同構成的多細胞生命體，細胞作為核心單元，在維持人體的體內平衡發揮著重要作用。因此，識別人體器官細胞的特征及其相互作用對研究與疾病相關的生物學機制具有重要意義。
作為一種新興技術，單細胞 RNA 測序（scRNA-seq）可以同時得到數千個單個細胞內大量基因的表達信息，從而揭示不同細胞類型的轉錄組特征及細胞間異質性，這有助于在單細胞水平下研究人體組織和器官發育。已有研究利用 scRNA-seq 繪制了許多人類和小鼠的器官單細胞轉錄組圖譜（如大腦、肺、腎臟及皮膚等），然而這些研究大多來自于不同個體或者聚焦于具有疾病癥狀的特定器官。同一個體中多個器官的單細胞轉錄圖譜及器官間異質性問題目前尚未報道過。
為 tian 補這領域一空白，近日，何曉順 / 貝錦新 / 郭志勇合作團隊利用 scRNA-seq 在單細胞水平上分析了來自同一個成年個體的 15 個器官的超過 84,000 個細胞的轉錄組數據，對不同細胞類型進行了組織內和組織間的全面比較，繪制了成人細胞圖譜。該研究已發表在 Genome Biology 上，文章題為“Single-cell transcriptome profiling of an adult human cell atlas of 15 major organs”。
文章發表于 Genome Biology 期刊
研究者從一名成人捐贈者的 15 個不同器官的組織樣本中提取出可存活的單細胞，樣品處理后對其進行高通量測序，檢測分析了 84,363 個細胞的單細胞轉錄組，繪制了成人人類細胞圖譜（包括 252 個細胞亞型）。在該捐贈者的多個組織樣本中發現了一些新的細胞亞型，如：汗腺上皮細胞、Coch+ 成纖維細胞和 FibSmo 細胞，與多重免疫熒光染色分析結果一致。此外，通過聚類分析確定了 15 個器官中的 43 個簇，進一步鑒定了幾種主要細胞類型（T 細胞、B 細胞、成纖維細胞、髓系細胞和內皮細胞）的多個簇，反映了它們的異質性轉錄圖譜。
圖 1. 人體 15 個器官組織的 scRNA-seq 概述
發育狀態下 T 細胞異質性及其在體內克隆性
scRNA-seq 結果顯示，在該捐贈者的大多數器官組織的免疫細胞中總共存在 20,034 個 T 細胞，根據基因圖譜可分為 7,006 個 CD4+ T 細胞（11 個簇）和 11,286 個 CD8+ T 細胞（21 個簇），兩類 T 細胞簇均呈現器官特異性分布且有差異表達的基因。軌跡分析顯示，在具有終末發育狀態的非淋巴器官中，有明確的從 TN cell 到 TEFF 細胞再到 CD4+ 和 CD8+TRM 細胞的發育路徑，且 TRM 細胞具有發育可塑性，而不是代表分化的終末階段。
隨后，研究者通過單細胞調控網絡推斷和聚類（SCENIC）分析評估驅動 T 細胞差異基因表達的轉錄因子（TFs）。結果顯示存在多個 TFs 聯合調控 T 細胞的發育，以維持 CD4+ 和 CD8+ T 細胞的異質狀態。研究者通過 TCR 克隆分型和轉錄組分析研究不同組織中 T 細胞亞型之間的克隆性和動態關系，結果顯示 CD4+ T 細胞在組織中多為具有獨特 TCR 克隆型的單一細胞，但在肌肉、膽總管和骨髓中均有較高比例的相同 TCR 克隆型或克隆擴增的多細胞；而在所有組織中，CD8+ T 細胞均出現克隆擴增。此外，基于 TCR 追蹤的觀察結果表明，不同的 T 細胞通過克隆擴增和轉化在人體內廣泛存在。（圖 2）
圖 2. 人體器官中 T 細胞的異質性、發育和克隆性
B 細胞和漿細胞的異質性
聚類分析顯示來自 11 個器官樣本的 10,100 個 B 細胞和漿細胞，其中包括 9 個 B 細胞簇（CD20）和 6 個漿細胞簇（SDC1）。差異基因表達（DEG）分析顯示 B 細胞與漿細胞具有不同的基因圖譜。SCIEIC 分析顯示 TFs 在 B 細胞和漿細胞中顯示出相似的活動，但在兩種細胞間具有不同的模式，且 TFs 可能調節 B 細胞向漿細胞的發展。研究者通過單細胞 BCR 測序分析探索了器官組織中 B 細胞簇和漿細胞簇的克隆性。結果顯示，與漿細胞和 T 細胞相比，B 細胞的擴增和轉化能力較低，但由于檢測到的克隆 B 細胞數量有限，不能充分代表多樣化 B 細胞譜系的豐富性。
接下來，研究者采用類似實驗方法探究了髓系細胞的異質性，發現獨特的 TFs 組合有助于塑造正常人體中骨髓細胞的不同狀態。隨后又研究了組織內和組織間上皮細胞的相似性和異質性，結果表明，在器官內和器官間都存在上皮細胞的異質性，且組織內細胞簇的分組比組織間更緊密，且 TFs 可能導致組織間上皮細胞的異質性，而組織中的上皮細胞可能具有相似的 TF 激活模式。之后又探究了基質細胞的相似性和異質性，對兩類內皮細胞（BECs，LECs）進行檢測分析。結果顯示，大多數集群的 BECs 和 LECs 具有共同的內皮功能，集群中的細胞是以器官特有的方式分組的。
組織內和組織間復雜而廣泛的細胞間通信網絡
基于 475 個配體 - 受體，研究者觀察到細胞類型和組織之間共 20,630 個顯著的相互作用，MIF_CD74、HBEGF_CD44、MIF_TNFRSF14、CD55_ADGRE5 和 APP_CD74 是不同細胞類型中頻繁的五個相互作用，髓系細胞是與其它類型細胞相互作用活躍的細胞類型。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控溝通，髓系細胞、CD8+ T 細胞和上皮細胞是細胞間相互作用的核心節點。
圖 3. 組織間的細胞間通訊網絡
綜上所述，該研究團隊通過繪制成人人類細胞圖譜（AHCA）揭示了人體主要器官中細胞的異質性，描繪了主要細胞類型的發展軌跡，并鑒定出可能在維持人體體內平衡及人類疾病發展中起到重要作用的新型細胞類型和關鍵分子事件。這為研究人類細胞的生物學機制提供了有力的資源。AHCA 可從 http://research.gzsums.net:8888 獲得。
參考文獻：
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.
轉載：測序中國（侵刪）
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