細(xì)胞的功能是由它的內(nèi)在特征和它的微生態(tài)(其所處的組織微環(huán)境)所決定的。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序能夠提供豐富的信息來表征這些細(xì)胞，而空間轉(zhuǎn)錄組又能補(bǔ)充單細(xì)胞技術(shù)下丟失的結(jié)構(gòu)信息，幫助我們深入了解細(xì)胞群的功能。

2023年7月，來自英國劍橋大學(xué)的研究團(tuán)隊在Nature雜志上發(fā)表題為“Spatially resolved multiomics of human cardiac niches”的研究文章，該研究揭示了人類心臟的八個區(qū)域中的多種不同狀態(tài)的細(xì)胞類型以及它們的功能與互作調(diào)控，同時，開發(fā)了一個藥靶預(yù)測工具，明確了心臟起搏細(xì)胞在作為一些藥物靶標(biāo)細(xì)胞的角色下的重要意義。

?研究材料

25名不同年齡階段無心臟疾病或心律失常史志愿者的組織樣本

?技術(shù)路線

步驟1：單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組下人類心臟的多模態(tài)分析；

步驟2：心肌細(xì)胞的染色質(zhì)開放區(qū)景觀；

步驟3：細(xì)胞微生態(tài)的無偏發(fā)現(xiàn)；

步驟4：心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)細(xì)胞的離子通道分布與GPCR圖譜；

步驟5：P細(xì)胞的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；

步驟6：組織學(xué)節(jié)點結(jié)構(gòu)中的谷氨酸能信號傳導(dǎo)和神經(jīng)支配；

步驟7：以單細(xì)胞的分辨率進(jìn)行藥物靶向預(yù)測；

步驟8：心臟外膜以及壓力狀態(tài)下的心室心肌微生態(tài)。

?研究結(jié)果

1. 人類心臟的多模態(tài)分析

作者對來自25名年齡從20歲到75歲不等，無心臟疾病或心律失常史的捐贈者的不同部位的組織樣本進(jìn)行了單細(xì)胞核RNA測序、單細(xì)胞核ATAC測序和空間轉(zhuǎn)錄組測序，并整合了以往的研究數(shù)據(jù)，最終數(shù)據(jù)包含八個解剖區(qū)域：左、右心室(LV和RV)、左、右心房(LA和RA)、心尖(AX)、室間隔(SP)、SAN和AVN。共定義到12種細(xì)胞大類下的共計75種不同細(xì)胞狀態(tài)的細(xì)胞，包含多個亞類的起搏細(xì)胞（P細(xì)胞）、浦肯野細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和髓系細(xì)胞等。

2. 心肌細(xì)胞的染色質(zhì)開放區(qū)景觀

對于snATAC-seq的數(shù)據(jù)，12個細(xì)胞大類在UMAP中能夠清晰地定義出來，這表明每種心臟細(xì)胞類型具有不同的染色質(zhì)可及性模式，其中觀察到一個心肌細(xì)胞亞群vCM3_stressed具有高度異質(zhì)性的染色質(zhì)開放模式。

由于全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS)發(fā)現(xiàn)的常見SNPs通常位于非編碼區(qū)，作者通過計算開放染色質(zhì)區(qū)域中GWAS性狀相關(guān)SNPs的富集程度，將細(xì)胞類型與心血管性狀聯(lián)系起來：對于與疾病相關(guān)的SNPs，vCMs富集了心肌病相關(guān)的SNP；肥厚性心肌病(HCM) SNP也在aCMs中富集。相反，心房顫動SNP在CCS（心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)）細(xì)胞、aCM2細(xì)胞和vCM3細(xì)胞中顯著富集，強(qiáng)調(diào)了心房和心室功能的相互依賴性，證明心室功能異常可能驅(qū)動心房纖顫。

3. 細(xì)胞微生態(tài)的無偏發(fā)現(xiàn)

為了解微觀解剖結(jié)構(gòu)的細(xì)胞組成，作者使用cell2location將sc/snRNA-seq分析定義的75種細(xì)胞狀態(tài)映射到空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)，并結(jié)合H&E圖像進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)注釋，觀察到轉(zhuǎn)錄組定義的細(xì)胞類型與結(jié)構(gòu)的映射得到了證實。此外，作者結(jié)合非負(fù)矩陣分解（NMF）算法，觀察到SAN切片中獨(dú)特的微生態(tài)結(jié)構(gòu)：中心區(qū)域含有P細(xì)胞、活化的成纖維細(xì)胞和膠質(zhì)細(xì)胞，而外周區(qū)域則富含組織駐留的巨噬細(xì)胞和其他成纖維細(xì)胞等，表明人類SAN中心區(qū)域內(nèi)，功能重要的P細(xì)胞嵌入活化的成纖維和膠質(zhì)細(xì)胞中，并被免疫和其他成纖維群體的外周區(qū)域包圍。這有助于隔離P細(xì)胞，并維持竇房結(jié)功能。

4. 心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)細(xì)胞的離子通道分布

不同的離子通道表達(dá)譜突出了CCS細(xì)胞狀態(tài)的電生理特化：與其他CMs相比，P細(xì)胞動作電位上升是由鈣而不是鈉流介導(dǎo)的，SAN和AVN P細(xì)胞均表現(xiàn)出鈉通道基因SCN5A的下調(diào)和l型鈣通道基因CACNA1D的上調(diào)，其突變導(dǎo)致竇房結(jié)功能障礙和心動過緩。此外，多種與心臟起搏無關(guān)的離子通道基因在P細(xì)胞中高度表達(dá)，包括瞬時受體電位(TRP)非選擇性陽離子通道家族。

5. 心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)細(xì)胞的GPCR圖譜

心率主要通過GPCR信號傳導(dǎo)而受到調(diào)控。CCS細(xì)胞表現(xiàn)出廣泛的GPCR、G蛋白亞基和第二信使機(jī)制。此外， P細(xì)胞中表達(dá)神經(jīng)體液配體的受體。作者用GPCR和跨突觸粘附分子相互作用的定制模塊補(bǔ)充了CellPhoneDB數(shù)據(jù)庫，觀察到SAN P細(xì)胞中表達(dá)的粘附GPCR存在多種相互作用。這些GPCR庫支持CCS細(xì)胞對一系列神經(jīng)體液因子的反應(yīng)，以及與ECM成分在其微生態(tài)中的相互作用。

6. P細(xì)胞的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

snATAC-seq數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，與大腦語言中心發(fā)育相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子FOXP2是針對主要P細(xì)胞離子通道基因(如HCN1)的相互作用。動物實驗中也觀察到Foxp2等位基因的小鼠脈搏率比野生型小鼠低。CREB5編碼CAMP響應(yīng)元件結(jié)合蛋白并與心房顫動相關(guān)，也是P細(xì)胞中高表達(dá)的TF之一。這些預(yù)測的控制機(jī)制可能有助于在體外構(gòu)建更好的人類P細(xì)胞模型。

7. 組織學(xué)節(jié)點結(jié)構(gòu)中的谷氨酸能信號

在SAN和AVN的HE染色組織學(xué)節(jié)點結(jié)構(gòu)中，作者觀察到P細(xì)胞與表達(dá)神經(jīng)素的膠質(zhì)細(xì)胞亞群存在共定位并存在受配體互作，其中包括參與谷氨酸能信號傳導(dǎo)的互作對。這些發(fā)現(xiàn)表明，人類P細(xì)胞表達(dá)谷氨酸能信號傳導(dǎo)的必要機(jī)制， NGF+膠質(zhì)細(xì)胞細(xì)胞可能與CCS細(xì)胞形成突觸，并具有星形膠質(zhì)細(xì)胞類似的支持作用。

8. 組織學(xué)節(jié)點結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)支配

對于心臟自主神經(jīng)元，空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)確定了右心房神經(jīng)節(jié)叢(RAGP)，其中包含支配SAN33的神經(jīng)元。作者計算泛神經(jīng)元細(xì)胞骨架標(biāo)記物(PRPH、NEFL、NEFM和NEFH)表達(dá)的分?jǐn)?shù)，并將其映射到空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)肽生長抑素與泛神經(jīng)元細(xì)胞骨架評分高度相關(guān)。相關(guān)受體(腎上腺素能和膽堿能)也在P細(xì)胞中表達(dá)。心臟交感神經(jīng)元的活力依賴于神經(jīng)營養(yǎng)因子NGF的持續(xù)來源， NGF+膠質(zhì)細(xì)胞細(xì)胞的神經(jīng)節(jié)NGF信號可能促進(jìn)和維持來自附近RAGP的神經(jīng)支配。

9. 單細(xì)胞分辨率的藥物靶向

CCS細(xì)胞是變時性藥物的重要靶點。作者開發(fā)了一個分析包drug2cell，它可以提取來自任何藥物或靶標(biāo)數(shù)據(jù)庫的成對藥物及其靶標(biāo)分子。分析確定了P細(xì)胞表達(dá)的非心臟藥物靶點，并具有變時效應(yīng)。這些藥物包括降糖藥物利拉魯肽(GLP-1類似物)和抗癲癇藥物perampanel (AMPA受體抑制劑)。

10. 心臟外膜的免疫微生態(tài)

作者在空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)中定位了血漿B細(xì)胞和編碼免疫球蛋白重鏈的相關(guān)基因。IGHA、IGHG家族在心外膜-心膜下組織結(jié)構(gòu)中顯著富集，并與巨噬細(xì)胞具有強(qiáng)的相互作用與顯著的共定位。表明不同的機(jī)制調(diào)節(jié)著心外膜-心外膜下微生態(tài)內(nèi)IgG+和IgA+血漿B細(xì)胞的命運(yùn)，巨噬細(xì)胞來源和的信號介導(dǎo)分泌免疫球蛋白的血漿B細(xì)胞的募集和穩(wěn)態(tài)，為心臟提供免疫屏障。

11. 心室心肌壓力微生態(tài)

snRNA-seq表明，活化的FB細(xì)胞狀態(tài)具有高膠原表達(dá)譜(FB4_activated)和應(yīng)激心室CMs表達(dá)心肌細(xì)胞應(yīng)激特征(vCM3_stressed)，對已公開數(shù)據(jù)的研究表明其豐度與擴(kuò)張型心肌病(DCM)相關(guān)。與其他vCMs相比，vCM3表達(dá)了更高水平的編碼IL-6、TNFSF12和IL-1受體的基因，與心力衰竭的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。這種心肌應(yīng)激微生態(tài)可能是心肌病典型的不良心臟重構(gòu)和致病性纖維化的前兆。

?小編小結(jié)

通過整合單細(xì)胞與空間多組學(xué)，作者繪制出了迄今為止最詳細(xì)、最全面的人類心臟細(xì)胞圖譜，其中包括心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)的特殊結(jié)構(gòu)——心跳的起源。還開發(fā)了一種名為Drug2cell的分析工具以便從單細(xì)胞分辨率下進(jìn)行藥物與藥靶的預(yù)測。這套研究結(jié)合了多模態(tài)數(shù)據(jù)和集成的微觀結(jié)構(gòu)注釋，具有推動微生態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的能力，并可應(yīng)用于健康和疾病狀態(tài)下的其他組織。

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