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10x 案列解读|10x scRNA-seq助力人类首个早期妊娠细胞图谱的构建,你不进来敲敲?
发布日期:2018-11-30浏览:

怀孕早期的细胞变化对于妊娠成功与否至关重要,妊娠过程中令科学人员关注之一的问题:母亲的免疫系统为何不会攻击发育中的胎儿。20181115日,威康基金会桑格研究所、剑桥大学及纽卡斯尔大学的联合研究团队在Nature期刊发布重磅论文,展现了母胎界面的单细胞图谱,终于揭开了这些错综复杂的分子机制。

 

研究人员对70000个孕早期胎盘细胞进行了单细胞RNA测序,并对与之相匹配的母血液及蜕膜细胞进行了研究,揭示了不同细胞类型的复杂性以及胎儿细胞与母体细胞之间的通讯方式。其中,细胞间通讯网络表明,母亲的免疫系统与胎盘植入之间的关系非常密切,为解决妊娠疾病,如先兆子痫、流产等提供了基础。

 

此外,文中不仅揭示了母体免疫系统对于干扰胎盘和子宫部位变化的方式与机理,同时揭示与之相关的抗炎症和免疫环境与肿瘤之间的一些特征。

 

人类首个早期妊娠细胞图谱的构建揭示母体免疫系统中早期妊娠变化

 

 

研究思路

 

通过使用显微镜确定蜕膜不同层中的新细胞状态的位置,检查胎盘细胞之间的相互作用以及母体和胎儿组织界面中胎盘细胞间的相互作用;并对大约70000个孕早期细胞进行了单细胞转录组测序,其中包括11个蜕膜样本、5个胎盘样本以及6个外周血样本(图1)。使用10x Genomics Chromium系统、Illumina测序平台和Smart-Seq2技术分析细胞之间的相互作用,并用统计学方法来解释其中的一些机理。

 

图1. 蜕膜胎盘和母体外周血单核细胞的单细胞转录组分析的工作流程

注:括号中的数字表示分析的个体数量

 

主要研究内容

 

1.   妊娠早期母体细胞图谱构建

 

对单细胞转录组数据集进行图聚类,使用聚类特异性标记基因来注释聚类(图2a)同时使用Smart-seq2的全长转录组研究T细胞组成和克隆扩增,其显示了蜕膜中CD8 T细胞的扩增(图2b)。

 

图2a.UMAP可视化的10x genomics和Smart-seq2(SS2)scRNA-seq分析的胎盘和蜕膜细胞簇

 

 

图2b.整合簇1、4、8、10、15的Smart-seq2和10x genomicsT细胞数据,对T细胞克隆扩增和簇的UMAP可视化

 

 

2. CellPhoneDB预测的细胞通信

 

为了系统地研究蜕膜-胎盘界面中胎儿和母体细胞之间的相互作用,开发了一个配体-受体相互作用对的储存库(www.CellPhoneDB.org)。考虑每种细胞类型中配体和受体的表达水平,使用经验来计算配体-受体对显示出显著的细胞类型特异性;通过特定的蛋白质复合物预测细胞群之间的分子相互作用,并在蜕膜和胎盘中产生潜在的细胞-细胞通讯网络(图3)。

 

图3. 网络可视化蜕膜(左)、胎盘(右)中潜在的特定相互作用;其中节点表细胞群,边缘代表重要配体-受体对的数量

 

3. 通过scRNA-seq进行滋养层分化

 

为了研究蜕膜-胎盘界面的母胎相互作用,首先分析了胎盘和蜕膜样品中分离的胎儿滋养层细胞,结果显示两种不同的滋养层分化途径(图4a)。蜕膜EVT(绒毛外滋养细胞)处于轨迹的末端,具有高水平的HLA-G表达并且不再表达细胞周期基因;对于绒毛细胞滋养层细胞,CellPhoneDB预测可能与EGFR相互作用的HBEGF由Hofbauer细胞表达,并且PGF和HGF(NRP2和MET的各自配体)由不同的胎盘成纤维细胞亚群表达;在EVT分化期间,存在涉及免疫调节、细胞粘附和侵袭的受体的上调,其配体由蜕膜细胞表达(图4b)。

 

图4. EVT分化过程中配体受体的表达

 

4. 三种蜕膜NK细胞状态

 

鉴定了三个主要的dNK亚群(dNK1、dNK2和dNK3),它们共同表达组织驻留标志物CD49A和CD9,同时发现dNK1可以识别和响应EVT。为了进一步研究这三个dNK群体,通过流式细胞术和Giemsa染色分析dNK亚型的形态,发现dNK1含有比dNK2和dNK3更多的细胞质颗粒;与KIR-dNK细胞相比,在KIR+中发现更高水平的颗粒蛋白质表达(PRF1、GNLY、GZMA和GZMB);dNK1细胞也表达参与糖酵解的高水平酶。首次妊娠与dNK细胞表达低水平的LILRB1有关,也与出生体重低、疾病的发生有关,如子痫前期。总之,这些数据表明首次怀孕与dNK1细胞的启动有关,对于进一步的胎盘植入更为重要。

图5.定义三个dNK亚集相对表达的热图

 

5. 怀孕早期的免疫调节

 

使用CellPhoneDB来鉴定dNKs对细胞因子和趋化因子的表达,预测它们与母胎界面处的其他细胞的相互作用。dNK1细胞表达更高水平的CSF1,其受体(CSF1R)由EVT和巨噬细胞表达;相反,dNK2和dNK3表达高水平的XCL1, CCL5由dNK3高度表达,CCR1是CCL5的受体,由EVT表达,表明dNK3在调节EVT侵袭中的作用(图5a、5b)。

 

XCL1-XCR1配体-受体复合物的表达模式表明dNK2和dNK3以及EVT和DC1之间的功能性相互作用,由自然杀伤细胞介导的DC1募集发生在肿瘤微环境中。此外,发现与DC2相比DC1的比例增加,这可能导致蜕膜CD8+ T细胞的扩增;但PD1的共表达表明局部T细胞活化有限

 

同时研究人员还预测蜕膜的免疫微环境可防止滋养细胞侵入和由滋养层破坏螺旋动脉平滑肌介质引起的炎症反应。蜕膜巨噬细胞亚群表达免疫调节分子,例如IL10,其受体由EVT和母体内皮细胞、基质细胞和骨髓细胞表达。 dNK1细胞表达高水平的SPINK2,dNK2和dNK3细胞表达高水平的ANXA1;这两种基因都编码具有抗炎作用的蛋白质,例如抑制激肽释放酶。 dNK1子集表达CD39(由ENTPD1编码),其与CD73(由NT5E编码)一起将ATP转化为腺苷以防止免疫激活;CD73在上皮腺和EVT中高表达,并且腺苷受体(ADORA3)存在于巨噬细胞中(图5c)。

 

图5.胎盘部位的多种调节免疫反应

 

结论

 

本研究是首个全面的单细胞转录组学图谱,显示妊娠6-14周的母胎界面、滋养层细胞向绒毛合体滋养细胞(参与营养交换)或EVT(侵入和重塑螺旋动脉)的分化轨迹,并预测可能控制这些过程的配体-受体相互作用以及检测免疫相关基因的表达。

 

为我们提供了一个强大的框架,用于评估感染期间早孕的情况提供了坚实可靠的理论基础。此外,该研究对癌症领域也有一定意义,肿瘤细胞可以利用类似的机制逃避免疫系统,提取新鲜血液供其生长。

 

正如文章通讯作者Sarah Teichmann博士所述:“首个人类妊娠早期细胞图谱为我们提供了发育初始阶段的重要参考图,它将改变我们对健康发育的认识,并帮助我们理解胎盘和母体细胞如何更好的沟通以支持妊娠,以及阐明各种妊娠障碍和癌细胞逃逸途径。”

 

参考文献

Roser Vento-Tormo, Mirjana Efremova, Rachel A. Botting,et al.Single-cell reconstruction of the early maternal–fetal interface in humans. Nature, 15 November 2018, 563(7731):347–353, doi:10.1038/s41586-018-0698-6.

怀孕早期的细胞变化对于妊娠成功与否至关重要,妊娠过程中令科学人员关注之一的问题:母亲的免疫系统为何不会攻击发育中的胎儿。20181115日,威康基金会桑格研究所、剑桥大学及纽卡斯尔大学的联合研究团队在Nature期刊发布重磅论文,展现了母胎界面的单细胞图谱,终于揭开了这些错综复杂的分子机制。

 

研究人员对70000个孕早期胎盘细胞进行了单细胞RNA测序,并对与之相匹配的母血液及蜕膜细胞进行了研究,揭示了不同细胞类型的复杂性以及胎儿细胞与母体细胞之间的通讯方式。其中,细胞间通讯网络表明,母亲的免疫系统与胎盘植入之间的关系非常密切,为解决妊娠疾病,如先兆子痫、流产等提供了基础。

 

此外,文中不仅揭示了母体免疫系统对于干扰胎盘和子宫部位变化的方式与机理,同时揭示与之相关的抗炎症和免疫环境与肿瘤之间的一些特征。

 

人类首个早期妊娠细胞图谱的构建揭示母体免疫系统中早期妊娠变化

 

 

研究思路

 

通过使用显微镜确定蜕膜不同层中的新细胞状态的位置,检查胎盘细胞之间的相互作用以及母体和胎儿组织界面中胎盘细胞间的相互作用;并对大约70000个孕早期细胞进行了单细胞转录组测序,其中包括11个蜕膜样本、5个胎盘样本以及6个外周血样本(图1)。使用10x Genomics Chromium系统、Illumina测序平台和Smart-Seq2技术分析细胞之间的相互作用,并用统计学方法来解释其中的一些机理。

 

图1. 蜕膜胎盘和母体外周血单核细胞的单细胞转录组分析的工作流程

注:括号中的数字表示分析的个体数量

 

主要研究内容

 

1.   妊娠早期母体细胞图谱构建

 

对单细胞转录组数据集进行图聚类,使用聚类特异性标记基因来注释聚类(图2a)同时使用Smart-seq2的全长转录组研究T细胞组成和克隆扩增,其显示了蜕膜中CD8 T细胞的扩增(图2b)。

 

图2a.UMAP可视化的10x genomics和Smart-seq2(SS2)scRNA-seq分析的胎盘和蜕膜细胞簇

 

 

图2b.整合簇1、4、8、10、15的Smart-seq2和10x genomicsT细胞数据,对T细胞克隆扩增和簇的UMAP可视化

 

 

2. CellPhoneDB预测的细胞通信

 

为了系统地研究蜕膜-胎盘界面中胎儿和母体细胞之间的相互作用,开发了一个配体-受体相互作用对的储存库(www.CellPhoneDB.org)。考虑每种细胞类型中配体和受体的表达水平,使用经验来计算配体-受体对显示出显著的细胞类型特异性;通过特定的蛋白质复合物预测细胞群之间的分子相互作用,并在蜕膜和胎盘中产生潜在的细胞-细胞通讯网络(图3)。

 

图3. 网络可视化蜕膜(左)、胎盘(右)中潜在的特定相互作用;其中节点表细胞群,边缘代表重要配体-受体对的数量

 

3. 通过scRNA-seq进行滋养层分化

 

为了研究蜕膜-胎盘界面的母胎相互作用,首先分析了胎盘和蜕膜样品中分离的胎儿滋养层细胞,结果显示两种不同的滋养层分化途径(图4a)。蜕膜EVT(绒毛外滋养细胞)处于轨迹的末端,具有高水平的HLA-G表达并且不再表达细胞周期基因;对于绒毛细胞滋养层细胞,CellPhoneDB预测可能与EGFR相互作用的HBEGF由Hofbauer细胞表达,并且PGF和HGF(NRP2和MET的各自配体)由不同的胎盘成纤维细胞亚群表达;在EVT分化期间,存在涉及免疫调节、细胞粘附和侵袭的受体的上调,其配体由蜕膜细胞表达(图4b)。

 

图4. EVT分化过程中配体受体的表达

 

4. 三种蜕膜NK细胞状态

 

鉴定了三个主要的dNK亚群(dNK1、dNK2和dNK3),它们共同表达组织驻留标志物CD49A和CD9,同时发现dNK1可以识别和响应EVT。为了进一步研究这三个dNK群体,通过流式细胞术和Giemsa染色分析dNK亚型的形态,发现dNK1含有比dNK2和dNK3更多的细胞质颗粒;与KIR-dNK细胞相比,在KIR+中发现更高水平的颗粒蛋白质表达(PRF1、GNLY、GZMA和GZMB);dNK1细胞也表达参与糖酵解的高水平酶。首次妊娠与dNK细胞表达低水平的LILRB1有关,也与出生体重低、疾病的发生有关,如子痫前期。总之,这些数据表明首次怀孕与dNK1细胞的启动有关,对于进一步的胎盘植入更为重要。

图5.定义三个dNK亚集相对表达的热图

 

5. 怀孕早期的免疫调节

 

使用CellPhoneDB来鉴定dNKs对细胞因子和趋化因子的表达,预测它们与母胎界面处的其他细胞的相互作用。dNK1细胞表达更高水平的CSF1,其受体(CSF1R)由EVT和巨噬细胞表达;相反,dNK2和dNK3表达高水平的XCL1, CCL5由dNK3高度表达,CCR1是CCL5的受体,由EVT表达,表明dNK3在调节EVT侵袭中的作用(图5a、5b)。

 

XCL1-XCR1配体-受体复合物的表达模式表明dNK2和dNK3以及EVT和DC1之间的功能性相互作用,由自然杀伤细胞介导的DC1募集发生在肿瘤微环境中。此外,发现与DC2相比DC1的比例增加,这可能导致蜕膜CD8+ T细胞的扩增;但PD1的共表达表明局部T细胞活化有限

 

同时研究人员还预测蜕膜的免疫微环境可防止滋养细胞侵入和由滋养层破坏螺旋动脉平滑肌介质引起的炎症反应。蜕膜巨噬细胞亚群表达免疫调节分子,例如IL10,其受体由EVT和母体内皮细胞、基质细胞和骨髓细胞表达。 dNK1细胞表达高水平的SPINK2,dNK2和dNK3细胞表达高水平的ANXA1;这两种基因都编码具有抗炎作用的蛋白质,例如抑制激肽释放酶。 dNK1子集表达CD39(由ENTPD1编码),其与CD73(由NT5E编码)一起将ATP转化为腺苷以防止免疫激活;CD73在上皮腺和EVT中高表达,并且腺苷受体(ADORA3)存在于巨噬细胞中(图5c)。

 

图5.胎盘部位的多种调节免疫反应

 

结论

 

本研究是首个全面的单细胞转录组学图谱,显示妊娠6-14周的母胎界面、滋养层细胞向绒毛合体滋养细胞(参与营养交换)或EVT(侵入和重塑螺旋动脉)的分化轨迹,并预测可能控制这些过程的配体-受体相互作用以及检测免疫相关基因的表达。

 

为我们提供了一个强大的框架,用于评估感染期间早孕的情况提供了坚实可靠的理论基础。此外,该研究对癌症领域也有一定意义,肿瘤细胞可以利用类似的机制逃避免疫系统,提取新鲜血液供其生长。

 

正如文章通讯作者Sarah Teichmann博士所述:“首个人类妊娠早期细胞图谱为我们提供了发育初始阶段的重要参考图,它将改变我们对健康发育的认识,并帮助我们理解胎盘和母体细胞如何更好的沟通以支持妊娠,以及阐明各种妊娠障碍和癌细胞逃逸途径。”

 

参考文献

Roser Vento-Tormo, Mirjana Efremova, Rachel A. Botting,et al.Single-cell reconstruction of the early maternal–fetal interface in humans. Nature, 15 November 2018, 563(7731):347–353, doi:10.1038/s41586-018-0698-6.

 

怀孕早期的细胞变化对于妊娠成功与否至关重要,妊娠过程中令科学人员关注之一的问题:母亲的免疫系统为何不会攻击发育中的胎儿。20181115日,威康基金会桑格研究所、剑桥大学及纽卡斯尔大学的联合研究团队在Nature期刊发布重磅论文,展现了母胎界面的单细胞图谱,终于揭开了这些错综复杂的分子机制。

 

研究人员对70000个孕早期胎盘细胞进行了单细胞RNA测序,并对与之相匹配的母血液及蜕膜细胞进行了研究,揭示了不同细胞类型的复杂性以及胎儿细胞与母体细胞之间的通讯方式。其中,细胞间通讯网络表明,母亲的免疫系统与胎盘植入之间的关系非常密切,为解决妊娠疾病,如先兆子痫、流产等提供了基础。

 

此外,文中不仅揭示了母体免疫系统对于干扰胎盘和子宫部位变化的方式与机理,同时揭示与之相关的抗炎症和免疫环境与肿瘤之间的一些特征。

 

人类首个早期妊娠细胞图谱的构建揭示母体免疫系统中早期妊娠变化

 

 

研究思路

 

通过使用显微镜确定蜕膜不同层中的新细胞状态的位置,检查胎盘细胞之间的相互作用以及母体和胎儿组织界面中胎盘细胞间的相互作用;并对大约70000个孕早期细胞进行了单细胞转录组测序,其中包括11个蜕膜样本、5个胎盘样本以及6个外周血样本(图1)。使用10x Genomics Chromium系统、Illumina测序平台和Smart-Seq2技术分析细胞之间的相互作用,并用统计学方法来解释其中的一些机理。

 

图1. 蜕膜胎盘和母体外周血单核细胞的单细胞转录组分析的工作流程

注:括号中的数字表示分析的个体数量

 

主要研究内容

 

1.   妊娠早期母体细胞图谱构建

 

对单细胞转录组数据集进行图聚类,使用聚类特异性标记基因来注释聚类(图2a)同时使用Smart-seq2的全长转录组研究T细胞组成和克隆扩增,其显示了蜕膜中CD8 T细胞的扩增(图2b)。

 

图2a.UMAP可视化的10x genomics和Smart-seq2(SS2)scRNA-seq分析的胎盘和蜕膜细胞簇

 

 

图2b.整合簇1、4、8、10、15的Smart-seq2和10x genomicsT细胞数据,对T细胞克隆扩增和簇的UMAP可视化

 

 

2. CellPhoneDB预测的细胞通信

 

为了系统地研究蜕膜-胎盘界面中胎儿和母体细胞之间的相互作用,开发了一个配体-受体相互作用对的储存库(www.CellPhoneDB.org)。考虑每种细胞类型中配体和受体的表达水平,使用经验来计算配体-受体对显示出显著的细胞类型特异性;通过特定的蛋白质复合物预测细胞群之间的分子相互作用,并在蜕膜和胎盘中产生潜在的细胞-细胞通讯网络(图3)。

 

图3. 网络可视化蜕膜(左)、胎盘(右)中潜在的特定相互作用;其中节点表细胞群,边缘代表重要配体-受体对的数量

 

3. 通过scRNA-seq进行滋养层分化

 

为了研究蜕膜-胎盘界面的母胎相互作用,首先分析了胎盘和蜕膜样品中分离的胎儿滋养层细胞,结果显示两种不同的滋养层分化途径(图4a)。蜕膜EVT(绒毛外滋养细胞)处于轨迹的末端,具有高水平的HLA-G表达并且不再表达细胞周期基因;对于绒毛细胞滋养层细胞,CellPhoneDB预测可能与EGFR相互作用的HBEGF由Hofbauer细胞表达,并且PGF和HGF(NRP2和MET的各自配体)由不同的胎盘成纤维细胞亚群表达;在EVT分化期间,存在涉及免疫调节、细胞粘附和侵袭的受体的上调,其配体由蜕膜细胞表达(图4b)。

 

图4. EVT分化过程中配体受体的表达

 

4. 三种蜕膜NK细胞状态

 

鉴定了三个主要的dNK亚群(dNK1、dNK2和dNK3),它们共同表达组织驻留标志物CD49A和CD9,同时发现dNK1可以识别和响应EVT。为了进一步研究这三个dNK群体,通过流式细胞术和Giemsa染色分析dNK亚型的形态,发现dNK1含有比dNK2和dNK3更多的细胞质颗粒;与KIR-dNK细胞相比,在KIR+中发现更高水平的颗粒蛋白质表达(PRF1、GNLY、GZMA和GZMB);dNK1细胞也表达参与糖酵解的高水平酶。首次妊娠与dNK细胞表达低水平的LILRB1有关,也与出生体重低、疾病的发生有关,如子痫前期。总之,这些数据表明首次怀孕与dNK1细胞的启动有关,对于进一步的胎盘植入更为重要。

图5.定义三个dNK亚集相对表达的热图

 

5. 怀孕早期的免疫调节

 

使用CellPhoneDB来鉴定dNKs对细胞因子和趋化因子的表达,预测它们与母胎界面处的其他细胞的相互作用。dNK1细胞表达更高水平的CSF1,其受体(CSF1R)由EVT和巨噬细胞表达;相反,dNK2和dNK3表达高水平的XCL1, CCL5由dNK3高度表达,CCR1是CCL5的受体,由EVT表达,表明dNK3在调节EVT侵袭中的作用(图5a、5b)。

 

XCL1-XCR1配体-受体复合物的表达模式表明dNK2和dNK3以及EVT和DC1之间的功能性相互作用,由自然杀伤细胞介导的DC1募集发生在肿瘤微环境中。此外,发现与DC2相比DC1的比例增加,这可能导致蜕膜CD8+ T细胞的扩增;但PD1的共表达表明局部T细胞活化有限

 

同时研究人员还预测蜕膜的免疫微环境可防止滋养细胞侵入和由滋养层破坏螺旋动脉平滑肌介质引起的炎症反应。蜕膜巨噬细胞亚群表达免疫调节分子,例如IL10,其受体由EVT和母体内皮细胞、基质细胞和骨髓细胞表达。 dNK1细胞表达高水平的SPINK2,dNK2和dNK3细胞表达高水平的ANXA1;这两种基因都编码具有抗炎作用的蛋白质,例如抑制激肽释放酶。 dNK1子集表达CD39(由ENTPD1编码),其与CD73(由NT5E编码)一起将ATP转化为腺苷以防止免疫激活;CD73在上皮腺和EVT中高表达,并且腺苷受体(ADORA3)存在于巨噬细胞中(图5c)。

 

图5.胎盘部位的多种调节免疫反应

 

结论

 

本研究是首个全面的单细胞转录组学图谱,显示妊娠6-14周的母胎界面、滋养层细胞向绒毛合体滋养细胞(参与营养交换)或EVT(侵入和重塑螺旋动脉)的分化轨迹,并预测可能控制这些过程的配体-受体相互作用以及检测免疫相关基因的表达。

 

为我们提供了一个强大的框架,用于评估感染期间早孕的情况提供了坚实可靠的理论基础。此外,该研究对癌症领域也有一定意义,肿瘤细胞可以利用类似的机制逃避免疫系统,提取新鲜血液供其生长。

 

正如文章通讯作者Sarah Teichmann博士所述:“首个人类妊娠早期细胞图谱为我们提供了发育初始阶段的重要参考图,它将改变我们对健康发育的认识,并帮助我们理解胎盘和母体细胞如何更好的沟通以支持妊娠,以及阐明各种妊娠障碍和癌细胞逃逸途径。”

 

参考文献

Roser Vento-Tormo, Mirjana Efremova, Rachel A. Botting,et al.Single-cell reconstruction of the early maternal–fetal interface in humans. Nature, 15 November 2018, 563(7731):347–353, doi:10.1038/s41586-018-0698-6.

 

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