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文獻解讀 | 人類心臟發育的空間基因表達和細胞圖譜
發布日期:2020-03-06瀏覽:

近期,由于疫情的原因大家都宅在家里,我們準備了一篇關于人類心臟發育的空間基因表達和細胞圖譜的文獻供大家閱讀。

晶能作為一家專注于醫療、健康、科技服務技術研發和應用的技術先導型企業,為更好地為深耕于科研領域的新老朋友提供更好的服務。將于3月11日晚8點,由10x Genomics攜手我司開啟線上直播研討會,講述關于Visium空間的基因表達解決方案和實例分享,記得關注哦~

 

 

 

人類心臟發育的

空間基因表達和細胞圖譜

A Spatiotemporal Organ-Wide Gene Expression and Cell Atlas of the Developing Human Heart

IF:36.216  cell       日期:2019.11     單位:瑞典皇家理工學院

 

人類心臟形態發生的過程還不完全清楚,若要充分了解需要在單細胞空間分辨率的基礎上深入探索心臟內基因的表達。本文作者提出一種方法,可以展示在三個發育時期胚胎心臟(圖1)全面的細胞類型轉錄表達譜,并將細胞類型特異性基因映射到特定的解剖區域??臻g轉錄組學鑒定了獨特的基因表達譜,對應于每個發育階段的不同解剖區域。單細胞RNA測序鑒定的人胚胎心臟細胞類型,證實并豐富了胚胎心臟基因表達的空間注釋。然后通過原位測序去完善這些結果,并為三個發育時期創建了一個空間亞細胞圖譜。最后,作者提供了一個可公開使用的人類心臟發育網絡資源,以促進未來對人類心臟發育的研究。

 

 

 

研究思路:

 

 

 

要結果:

 

1、 人類心臟發育期間時空基因表達動態

分別對4.5-5、6.5、9孕周(PCW)的胚胎心臟組織進行免疫組化染色(IHC)(圖2a,b,c),顯示心肌肌鈣蛋白(TNNT2)在三個孕周時期的左右心室與心房游離壁和隔膜均表達。主動脈平滑肌肌動蛋白(ACTA2)在流出道(OFT)表達,顯示主動脈和肺動脈在4.5–5孕周已經開始形成,在后面兩個孕周逐漸增大。在房室外膜下間質內的冠狀動脈以及縱隔組織內的肺靜脈中也有ACTA2的表達,但都只在后兩個孕周可見。

作者收集4.5–5、6.5、9 孕周胚胎心臟組織沿背腹軸做切片(圖3),進行空間轉錄組測序(ST),共獲得3115個spots。對三個孕周的數據合并分析,降維聚類得到10個cluster,并鑒定細胞類型(圖2d)。然后再將所有的spots映射到每個組織切片的坐標位置(圖2e,f,g)。結果發現主要心肌區域(clusters 0, 1, 2, 3, 4)隨孕周的增大spots數量也在增加,反映了心臟的生長。在4.5-5孕周看不到流出道(OFT)和大血管(cluster5),主要是房室(AV)間質(cluster6)。對每個cluster做了差異基因分析和上調基因的GO富集(圖2h),顯示每個cluster之間既有相同的功能,比如clusters (0, 1, 2, 3, 4)都與心臟的收縮與發育相關;也有特定的功能,比如cluster0主要在新陳代謝內富集,cluster1,2在傳導和cluster3在氧化代謝富集,cluster4在內分泌活性、傳導、心率調節富集。

 

圖2:三個心臟發育時期的整體時空分析

圖3:三個發育時期的組織切片展示

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2、 6.5-7孕周人類胚胎心臟的單細胞表達分析

由于空間轉錄組無法達到單細胞分辨率,為了使結果更準確,作者對6.5孕周的心臟組織做了10X單細胞測序(scRNA-seq)。將心臟組織切開,分成兩塊(圖4c):一塊包括流出道、房室結構和心房的大部分,另一塊包括心室。然后分別進行單細胞測序,共獲得3717個高質量細胞。降維聚類分成15個cluster(圖4b),基于marker鑒定細胞類型,包括3種心肌細胞類型、心臟神經嵴細胞、施旺祖細胞、心外膜細胞、EPDC、2種內皮細胞、4種成纖維樣細胞。另外,作者對6.5孕周的空間轉錄組和單細胞測序結果進行相關性分析(圖4a),顯示皮爾遜相關系數r=0.93,說明兩個樣本的生物學重復性較好。

圖4:6.5-7孕周人類胚胎心臟的單細胞分析

 

3、構建一個心臟發育的細胞基因表達圖譜

為了進一步完善數據結果,作者對三個孕周的心臟組織還做了原位測序(ISS),首先設計包含69個基因的panel,一些基因是來自ST的marker,另一些來自scRNA-seq中每個cluster的marker(免疫細胞除外),還有一些先前報道的對心臟發育很重要的基因。最后根據ISS、ST、scRNA-seq結果,利用算法構建一個完整的6.5孕周胚胎心臟的空間細胞圖譜。除了空間定位外,細胞映射算法還可以將scRNA-seq中的reads比對到每個細胞(圖5a,c,e)。該空間圖譜由20920個單細胞組成(圖5b,d),它不僅驗證了ST結果中cluster的分布,還解決了彼此緊密相鄰的不同細胞類型形成的精細結構。

 

圖5:6.5孕周的人類心臟發育的細胞類型圖譜

 

4、通過空間分析解析細胞類型的相似性

作者展示了ISS、ST、scRNA-seq三種技術得到的結果一致性,對3種細胞亞型(心肌神經嵴細胞、施旺祖細胞、心外膜細胞)的marker基因進行檢測(圖6a,b),顯示心肌神經嵴細胞marker只在早期表達,施旺祖細胞marker只在晚期表達(圖6c,d)。另外,在房室外膜下間質內心肌神經嵴細胞不存在,施旺祖細胞只在其發育后期存在(圖6e,f)。

圖6:三個心臟發育時期的靶向時空分析

 

結論:

通過單細胞時空測序方法研究人類心臟發育過程,構建了一種分子方法可用于以后研究其他物種器官發育。本文方法可以探索組織內整體的空間轉錄模式,解析細胞異質性,選擇性地研究關鍵靶基因的空間表達模式。這也是首次在單細胞空間分辨率上研究人類器官發育的轉錄圖譜(圖7)。另外還提供了網絡資源,用于研究和查看人類心臟發育時空基因表達模式。

 

圖7:3D基因表達圖譜

 

 

 

 

2、 6.5-7孕周人類胚胎心臟的單細胞表達分析

由于空間轉錄組無法達到單細胞分辨率,為了使結果更準確,作者對6.5孕周的心臟組織做了10X單細胞測序(scRNA-seq)。將心臟組織切開,分成兩塊(圖4c):一塊包括流出道、房室結構和心房的大部分,另一塊包括心室。然后分別進行單細胞測序,共獲得3717個高質量細胞。降維聚類分成15個cluster(圖4b),基于marker鑒定細胞類型,包括3種心肌細胞類型、心臟神經嵴細胞、施旺祖細胞、心外膜細胞、EPDC、2種內皮細胞、4種成纖維樣細胞。另外,作者對6.5孕周的空間轉錄組和單細胞測序結果進行相關性分析(圖4a),顯示皮爾遜相關系數r=0.93,說明兩個樣本的生物學重復性較好。

2、 6.5-7孕周人類胚胎心臟的單細胞表達分析

由于空間轉錄組無法達到單細胞分辨率,為了使結果更準確,作者對6.5孕周的心臟組織做了10X單細胞測序(scRNA-seq)。將心臟組織切開,分成兩塊(圖4c):一塊包括流出道、房室結構和心房的大部分,另一塊包括心室。然后分別進行單細胞測序,共獲得3717個高質量細胞。降維聚類分成15個cluster(圖4b),基于marker鑒定細胞類型,包括3種心肌細胞類型、心臟神經嵴細胞、施旺祖細胞、心外膜細胞、EPDC、2種內皮細胞、4種成纖維樣細胞。另外,作者對6.5孕周的空間轉錄組和單細胞測序結果進行相關性分析(圖4a),顯示皮爾遜相關系數r=0.93,說明兩個樣本的生物學重復性較好。

2、 6.5-7孕周人類胚胎心臟的單細胞表達分析

由于空間轉錄組無法達到單細胞分辨率,為了使結果更準確,作者對6.5孕周的心臟組織做了10X單細胞測序(scRNA-seq)。將心臟組織切開,分成兩塊(圖4c):一塊包括流出道、房室結構和心房的大部分,另一塊包括心室。然后分別進行單細胞測序,共獲得3717個高質量細胞。降維聚類分成15個cluster(圖4b),基于marker鑒定細胞類型,包括3種心肌細胞類型、心臟神經嵴細胞、施旺祖細胞、心外膜細胞、EPDC、2種內皮細胞、4種成纖維樣細胞。另外,作者對6.5孕周的空間轉錄組和單細胞測序結果進行相關性分析(圖4a),顯示皮爾遜相關系數r=0.93,說明兩個樣本的生物學重復性較好。

2、 6.5-7孕周人類胚胎心臟的單細胞表達分析

由于空間轉錄組無法達到單細胞分辨率,為了使結果更準確,作者對6.5孕周的心臟組織做了10X單細胞測序(scRNA-seq)。將心臟組織切開,分成兩塊(圖4c):一塊包括流出道、房室結構和心房的大部分,另一塊包括心室。然后分別進行單細胞測序,共獲得3717個高質量細胞。降維聚類分成15個cluster(圖4b),基于marker鑒定細胞類型,包括3種心肌細胞類型、心臟神經嵴細胞、施旺祖細胞、心外膜細胞、EPDC、2種內皮細胞、4種成纖維樣細胞。另外,作者對6.5孕周的空間轉錄組和單細胞測序結果進行相關性分析(圖4a),顯示皮爾遜相關系數r=0.93,說明兩個樣本的生物學重復性較好。

2、 6.5-7孕周人類胚胎心臟的單細胞表達分析

由于空間轉錄組無法達到單細胞分辨率,為了使結果更準確,作者對6.5孕周的心臟組織做了10X單細胞測序(scRNA-seq)。將心臟組織切開,分成兩塊(圖4c):一塊包括流出道、房室結構和心房的大部分,另一塊包括心室。然后分別進行單細胞測序,共獲得3717個高質量細胞。降維聚類分成15個cluster(圖4b),基于marker鑒定細胞類型,包括3種心肌細胞類型、心臟神經嵴細胞、施旺祖細胞、心外膜細胞、EPDC、2種內皮細胞、4種成纖維樣細胞。另外,作者對6.5孕周的空間轉錄組和單細胞測序結果進行相關性分析(圖4a),顯示皮爾遜相關系數r=0.93,說明兩個樣本的生物學重復性較好。

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