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本期我們將聚焦一種很新的單細(xì)胞研究形式，運(yùn)用開源數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)揭示了特異性內(nèi)皮細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的獨(dú)特特征。

研究背景

內(nèi)皮細(xì)胞（ECs）構(gòu)成了血液和淋巴管的內(nèi)膜。ECs通過(guò)調(diào)節(jié)血流、血漿載大分子的輸送、血管的形成和循環(huán)血細(xì)胞的粘附在組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。ECs根據(jù)其所在的血管和組織的不同，存在著很大的功能異質(zhì)性。雖然這些功能上的差異可能在轉(zhuǎn)錄組水平上有所表現(xiàn)，但維持ECs異質(zhì)性的機(jī)制和其他可能相互作用的途徑目前還不清楚。

針對(duì)此問題，來(lái)自斯坦福心血管研究所的David T. Paik團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用單細(xì)胞測(cè)序實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)來(lái)自12種主要組織和器官的內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)行剖析，揭示了組織特異性ECs和其他細(xì)胞類型之間潛在的血管分泌相互作用。

論著題目：Single-cell RNA-seq Unveils Unique Transcriptomic Signatures of Organ-Specific Endothelial Cells

發(fā)表期刊：Circulation

影響因子：39.9

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)方法：利用Tabula Muris數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)C57BL/6小鼠的12種主要組織或器官（脂肪組織、主動(dòng)脈、大腦、膈肌、心臟、腎臟、肝臟、肺、乳腺、胰腺、骨骼肌、氣管）進(jìn)行分析

主要實(shí)驗(yàn)技術(shù)：scRNA-seq、microarray data analysis、Immunofluorescence

實(shí)驗(yàn)結(jié)果解析

01 組織特異性內(nèi)皮細(xì)胞的異質(zhì)性和分子特征

為了探究組織特異性ECs之間的差異，研究團(tuán)隊(duì)將Tabula Muris小鼠單細(xì)胞開源數(shù)據(jù)庫(kù)中12種組織和器官的測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)來(lái)自大腦、腎臟、肺和肝臟的ECs似乎具有獨(dú)特的轉(zhuǎn)錄組特征，而來(lái)自脂肪組織、心臟和主動(dòng)脈的ECs在基因表達(dá)上出現(xiàn)了更多的相似性，表明不同的器官中的ECs可能具有不同程度的功能專門化。

圖1.從Tabula Muris數(shù)據(jù)庫(kù)中提取的12個(gè)主要器官內(nèi)皮細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)

為了定義組織特異性ECs的標(biāo)記物，研究團(tuán)隊(duì)檢測(cè)了各器官ECs中排名前十的差異基因。如上所示，大腦和肝臟的ECs表達(dá)獨(dú)特的基因集，而這些基因幾乎無(wú)法在其他器官的ECs中檢測(cè)到。相反，表征心臟、膈肌、脂肪組織、骨骼肌和乳腺ECs的差異基因則沒有那么特異。這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)了scRNA-seq在識(shí)別組織特異性ECs的轉(zhuǎn)錄組特征方面的效用。

圖2.器官特異性內(nèi)皮細(xì)胞差異表達(dá)基因的鑒定

02 器官特異性血管分泌因子與配體受體相互作用

基于已識(shí)別的器官特異性ECs差異基因，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了pathway分析（應(yīng)用KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)），發(fā)現(xiàn)了來(lái)自不同器官的ECs中共有的和獨(dú)特的細(xì)胞通路，然而在器官特異性ECs中，大多數(shù)調(diào)控共同通路的基因都是不同的。

此外，基于ECs能夠分泌特異性血管分泌因子，介導(dǎo)組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)和功能的作用，研究團(tuán)隊(duì)嘗試分析了每個(gè)器官中ECs表達(dá)的獨(dú)特血管分泌因子。從ECs單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中，他們發(fā)現(xiàn)了ECs和12個(gè)器官中所有測(cè)序的實(shí)質(zhì)細(xì)胞類型之間潛在的配受體對(duì)，例如，Wnt信號(hào)在來(lái)自大腦、心臟、肝臟和肺的ECs中表達(dá)高度上調(diào)，但在器官特異性ECs中，參與Wnt信號(hào)調(diào)控的基因是不同的。

圖3. 通路富集與血管分泌關(guān)系預(yù)測(cè)分析

03 ECs亞群的subCluster分析

研究團(tuán)隊(duì)使用subCluster分析來(lái)識(shí)別ECs的細(xì)分亞群，發(fā)現(xiàn)它們可能獨(dú)立于胚胎組織，并確定了13個(gè)ECs亞群，且不同亞群在每個(gè)器官的百分比和絕對(duì)數(shù)量存在差異。

圖4. subCluster揭示ECs的亞種群

04 器官特異性內(nèi)皮細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的性別差異

為了確定性別對(duì)ECs基因表達(dá)的影響，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了進(jìn)一步聚類分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一些組織（如主動(dòng)脈、腦、肺）的ECs亞簇幾乎完全由來(lái)自單一性別，而其他組織（脂肪組織、心臟、腎臟）的ECs亞群在性別間分布更均勻。

圖5. 組織特異性ECs基因表達(dá)的性別差異

有趣的是，基因Lars2的表達(dá)是雄性小鼠內(nèi)皮細(xì)胞所特有的。這些發(fā)現(xiàn)表明，在某些組織中存在著具有性別特異性的ECs子集，性別可能是組織特異性ECs轉(zhuǎn)錄組變異的一個(gè)重要來(lái)源。

圖6. Lars2的表達(dá)是男性內(nèi)皮細(xì)胞所特有的

05 小鼠與人內(nèi)皮基因表達(dá)的相關(guān)性

那么這些發(fā)現(xiàn)，在人類ECs中是否成立呢？為了確定在小鼠ECs中的發(fā)現(xiàn)與人類內(nèi)皮生物學(xué)的相關(guān)性，研究團(tuán)隊(duì)將小鼠數(shù)據(jù)與人類胎兒器官（如心臟、腎臟、肝臟和肺）中分離的ECs bulk RNA-seq數(shù)據(jù)進(jìn)行了聯(lián)合分析，當(dāng)比較來(lái)自同一器官的ECs時(shí)，成年小鼠和人類胎兒ECs基因表達(dá)的相關(guān)性往往最強(qiáng)。這些發(fā)現(xiàn)表明ECs中組織特異性的轉(zhuǎn)錄組學(xué)表現(xiàn)在小鼠和人類之間相對(duì)保守。

圖7. 小鼠對(duì)人體器官特異性EC轉(zhuǎn)錄組的翻譯

全文總結(jié)

該研究使用Tabula Muris scRNA-seq數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了維持組織特異性ECs的轉(zhuǎn)錄組特征網(wǎng)絡(luò)，并明確了組織特異性ECs之間的新型血管分泌和功能關(guān)系。

本研究詳細(xì)信息參見原文鏈接：doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.119.041433.

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