项目文章|Nature解密人类细胞图谱,安诺单细胞测序再添新作
2020.05.12

2020年3月25日,浙江大学基础医学院郭国骥团队利用自主研发的Microwell-seq高通量单细胞测序平台,成功绘制了全球首个人类细胞图谱(HCL),并建立了人类细胞图谱网站(http://bis.zju.edu.cn/HCL/。该图谱跨越了胎儿和成人两个时期,涵盖八大系统,包括60种人体组织样品的主要细胞类型,是迄今为止针对人类最全面的细胞图谱,该成果发表于国际顶级期刊Nature。在这项研究中,安诺基因承担了单细胞转录组测序相关工作,这也是安诺基因继2018年在Cell刊发小鼠细胞图谱之后与郭国骥团队合作完成的又一力作~

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研究思路

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主要研究结果

1. 绘制人类细胞图谱

作者利用Microwell-seq平台对60份汉族人捐赠的组织样本进行单细胞转录组测序,根据得到的702,968个单细胞转录本数据,绘制了t-SNE图谱,共分成了102个细胞亚群和843个细胞子群,构建了迄今为止针对人类最全面的细胞图谱。

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图1. 使用Mirowell-seq构建人类细胞图谱(HCL)

(a)Microwell-seq单细胞转录组测序平台工作流程示意图;(b)599,926个HCL单细胞的t-SNE分析(亚群着色);(c)599,926个HCL单细胞的t-SNE分析(组织着色);(d)102种细胞亚群的进化树。

2. 发现非免疫细胞的免疫活化

通过跨阶段跨组织比较发现,多种成人的上皮、内皮和基质细胞在组织中似乎扮演着免疫细胞的角色。趋化因子阳性(CXCL+)上皮细胞、主要组织相容性复合体阳性(MHC class II+)内皮细胞和白介素阳性(IL+)基质细胞广泛地分布在成人的各种组织器官之中,并在分类上独立于传统的上皮、内皮、基质和免疫细胞。这些非专职的免疫细胞也在兼职行使着免疫功能。研究者认为成年人非免疫细胞中广泛存在的免疫活化是人体区域免疫的重要调节机制。

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图2. HCL中非免疫细胞的免疫活化

(a)成人膀胱单细胞数据的t-SNE图;(b)成人膀胱组织内皮细胞标记物PECAM1(CD31)和MHC II类标记物HLA-DR的免疫荧光测定;(c)免疫相关基因在内皮、上皮和基质细胞中的表达热图;(d)人类组织特异性内皮细胞的胞t-SNE图(细胞着色);(e)人类组织特异性内皮细胞的胞t-SNE图(组织着色)。

3. 构建单细胞水平的人类细胞图谱

本研究通过评估胎儿期和成人期组织细胞类型的相似性来研究人体器官的发育。研究发现,在肾脏和肺部,胎儿期和成人期的上皮、间充质、内皮和免疫细胞在基因表达模式上是相关的。胎儿期和成人期的细胞行轨迹分析反映了胎儿祖细胞到成年成熟细胞的发育历程。

将本研究的HCL与其他已发表的人类数据库整合,构建一个名为“scHCL”的单细胞映射管道,用于人类细胞类型的分类。将输入的数字基因表达(DGE)数据与每个转录组参考进行比较,以提供基因表达相关性匹配系数。通过将大量RNA测序数据映射到HCL参考,研究人员能够有效定义体外培养细胞或癌细胞类器官的细胞谱系。

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图3. 单细胞人类细胞图谱(scHCL)在干细胞生物学中的应用

(a)scHCL分析流程图;(b)H9衍生胰岛细胞的scHCL分析、(c)H9 / OP9共培养造血细胞的scHCL分析结果;(d)拟胚体基因的表达轨迹分析;(e)脐带血(CD34+)细胞的PAGA分析;(f)mPB(CD34+)细胞的PAGA分析。

4. 揭示哺乳动物细胞命运决定机制

最后,作者对102种人细胞亚群和104种小鼠细胞亚群进行了跨物种比较,结果显示同源基因表达的细胞类型相似性超过了物种特异性差异,即不同物种中同一细胞类型的基因表达模式是保守的。跨时期、跨组织和跨物种的细胞图谱分析揭示了适于哺乳动物的细胞命运决定机制:干细胞和祖细胞的转录状态混杂且随机,而已分化和成熟细胞的转录状态是分明且稳定的。也就是说,细胞分化经历了一个从混乱到有序的发展过程。

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图4. 跨物种比较细胞图谱

(a)人和小鼠细胞类型之间直系同源基因表达的相关性;(b)人和小鼠中细胞类型的Circos图;(c)HCL和小鼠细胞图谱的调节子矩阵识别调节子模块;(d)人regulon活性的t-SNE图;(e)小鼠regulon活性的t-SNE图。


文章小结

本项研究首次从单细胞水平上全面分析了胎儿和成人时期的人体细胞种类,研究数据将成为探索细胞命运决定机制的资源宝库,研究方法将对人体正常与疾病细胞状态的鉴定带来深远影响,有望为临床异常细胞的鉴别和溯源提供有力参照。

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安诺单细胞测序技术总览


参考文献:

Han, X. et al. Construction of a human cell landscape at single cell level[J]. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-020-2157-4 (2020).

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