前言

人類真皮成纖維細(xì)胞是皮膚的細(xì)胞成分，由于它們的動態(tài)細(xì)胞特性而表現(xiàn)出細(xì)胞間表型異質(zhì)性。因此，單個真皮成纖維細(xì)胞可以有不同的細(xì)胞特性，負(fù)責(zé)傷口修復(fù)、纖維化或細(xì)胞外基質(zhì)的重塑。脂質(zhì)代謝在具有不同表型的成纖維細(xì)胞中是否存在不同的形態(tài)，以及脂質(zhì)成分是否參與成纖維細(xì)胞亞型的建立尚不清楚。

2022年4月，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Laura Capolupo等人在《Science》上發(fā)表了題為“Sphingolipids control dermal fibroblast heterogeneity”的研究成果，通過空間分辨代謝組學(xué)和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究方法，通過研究單個細(xì)胞的脂質(zhì)組成，揭示了鞘脂在成纖維細(xì)胞狀態(tài)確定中的驅(qū)動作用。

研究背景

外部信號（例如激素、細(xì)胞因子和生長因子）和細(xì)胞自主特性（例如單個細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄和代謝狀態(tài)）共同決定細(xì)胞命運的決定。盡管在數(shù)十年的深入研究中，外部信號的作用方式已經(jīng)得到了廣泛的詳細(xì)說明，但細(xì)胞自主對命運決定的分子基礎(chǔ)仍難以捉摸。脂質(zhì)參與能量代謝，負(fù)責(zé)生物膜的組裝，充當(dāng)信號分子，并與蛋白質(zhì)相互作用以影響其功能和細(xì)胞內(nèi)分布。脂質(zhì)組成因細(xì)胞類型而異，并在分化事件中重新編程。然而，脂質(zhì)組重塑是否以及如何幫助改變細(xì)胞特性尚不清楚。

研究思路

研究結(jié)果

1. 通過空間代謝組學(xué)揭示脂質(zhì)異質(zhì)性的組織原理，單細(xì)胞分析顯示脂質(zhì)協(xié)同調(diào)節(jié)

圖1和圖2展示了研究人員首先對原代真皮人成纖維細(xì)胞 (dHF) 進(jìn)行了空間代謝組學(xué)解析，結(jié)合電噴霧電離液相色譜-質(zhì)譜（ESI-LC/MS）和基于多反應(yīng)監(jiān)測（MRM）的脂質(zhì)組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)dHF 中存在兩個共存的脂質(zhì)變異軸。一個軸與細(xì)胞內(nèi)組織有關(guān)，另一個軸與脂質(zhì)相關(guān)的細(xì)胞間異質(zhì)性有關(guān)，其中鞘脂途徑受到高細(xì)胞間變異性的影響。隨后的單細(xì)胞脂質(zhì)組根據(jù)脂質(zhì)組成對細(xì)胞進(jìn)行分組，產(chǎn)生了不同的細(xì)胞簇。當(dāng)考慮鞘脂的水平時，某些鞘脂在特定的細(xì)胞簇中富集，表明 dHF 以不同的鞘脂代謝狀態(tài)存在。

研究人員隨后用可識別不同鞘脂頭部基團(tuán)的熒光標(biāo)記的細(xì)菌毒素對細(xì)胞進(jìn)行染色，驗證了這一結(jié)果，發(fā)現(xiàn)dHF 以亞穩(wěn)態(tài)鞘脂代謝配置存在，與給定的表型狀態(tài)相對應(yīng)，并在細(xì)胞世代中持續(xù)存在，研究人員將這些脂質(zhì)代謝狀態(tài)稱為lipotypes。

圖1 | dHFs的單離子空間代謝組學(xué)分析

（A）空間代謝組學(xué)檢測方法示意圖

（B）正離子模式檢測的部分脂質(zhì)成像圖

（C）每個像素的PCA坐標(biāo)顯示

（D）前10種脂質(zhì)的貢獻(xiàn)度展示

圖2 | 單細(xì)胞脂質(zhì)組學(xué)分析

（A）空間代謝組數(shù)據(jù)單細(xì)胞分析方法示意圖

（B）顯示通過257個細(xì)胞計算的脂質(zhì)CV的條形圖

（C）脂質(zhì)協(xié)變網(wǎng)絡(luò)

（D）單細(xì)胞脂質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)的t-SNE圖

（E）鞘脂染色t-SNE分布圖?

（F）鞘脂前體和負(fù)責(zé)鞘脂的成像圖

2. 單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序?qū)?xì)胞類型進(jìn)行分類并對應(yīng)不同脂型結(jié)合分析

研究人員接著對dHF 進(jìn)行了單細(xì)胞 RNA 測序 (scRNA-seq)，并將轉(zhuǎn)錄組定義的亞型與鞘脂定義的亞型聯(lián)系起來，發(fā)現(xiàn)特定的lipotypes與普遍的細(xì)胞狀態(tài)有關(guān)，表明lipotypes是 dHF 細(xì)胞狀態(tài)的標(biāo)志物。此外，dHF lipotypes還反映在不同真皮區(qū)域的成纖維細(xì)胞亞型上，如真皮較深區(qū)域的網(wǎng)狀成纖維細(xì)胞與較淺區(qū)域的乳頭狀成纖維細(xì)胞會呈現(xiàn)差異化的lipotypes，且與皮膚癌的相關(guān)性不同。由此，lipotypes可以在體內(nèi)標(biāo)記特定的 dHF 群體。

圖3 | 脂肪類型映射到轉(zhuǎn)錄細(xì)胞的狀態(tài)

（A）通過指定聚類對5652個單獨DHF的scRNA序列進(jìn)行UMAP嵌入分析

（B）聚類標(biāo)記基因的基因表達(dá)點圖

（C）A中單個dHF細(xì)胞的擴(kuò)散圖，突出了不同細(xì)胞狀態(tài)之間轉(zhuǎn)錄變異軸

（D）DHF的sRNA序列數(shù)據(jù)PAGA軌跡分析圖

（E）每個FACS分類的脂肪型群體的富集基因的平均基因表達(dá)熱圖

（F）不同的脂型基因特征分?jǐn)?shù)UMAP圖

（G）不同簇細(xì)胞的平均脂型z分?jǐn)?shù)點圖

（H）ShTxB2e+、ShTxB1a/2e+、ChTxB+和triple+的PAGA軌跡分析圖

（I）成纖維細(xì)胞（ACTA2）和基底細(xì)胞（LMNA）的兩種典型標(biāo)記物的UMAP圖

（J）幾種染色細(xì)胞的共焦顯微照片

3. 鞘脂擾動對細(xì)胞狀態(tài)的影響

研究人員最后探究了鞘脂擾動對細(xì)胞狀態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)lipotypes異質(zhì)性通過使原本相同的細(xì)胞對細(xì)胞外刺激的反應(yīng)多樣化來影響細(xì)胞特性，并且操縱鞘脂組成足以將細(xì)胞重新編程為不同的表型狀態(tài)。此外，鞘脂還能整合到參與細(xì)胞狀態(tài)確定的調(diào)節(jié)回路中，這些回路解釋了代謝和轉(zhuǎn)錄成纖維細(xì)胞的異質(zhì)性。具體來說，研究人員觀察到鞘脂調(diào)節(jié)成纖維細(xì)胞生長因子2 (FGF2) 的信號傳導(dǎo)，其中g(shù)lobo系列鞘脂Gb3/Gb4 充當(dāng)正調(diào)節(jié)劑，而神經(jīng)節(jié)苷脂GM1 充當(dāng)負(fù)調(diào)節(jié)劑。反過來，F(xiàn)GF2 信號通過維持導(dǎo)致Gb3/Gb4 產(chǎn)生的替代代謝途徑來抵消 GM1 的產(chǎn)生。

圖4 | 鞘脂擾動對FGF信號的影響

相關(guān)討論

該研究通過將高分辨率質(zhì)譜成像與單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)相結(jié)合，測量了單個人類真皮成纖維細(xì)胞的脂質(zhì)組和轉(zhuǎn)錄組，發(fā)現(xiàn)特定脂質(zhì)代謝途徑的細(xì)胞間變化有助于建立參與皮膚結(jié)構(gòu)組織的細(xì)胞狀態(tài)如圖5所示。這為細(xì)胞間異質(zhì)脂質(zhì)代謝在多細(xì)胞系統(tǒng)的自組織中發(fā)揮指導(dǎo)作用提供了證據(jù)。

圖5 |鞘脂控制真皮成纖維細(xì)胞異質(zhì)性

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