Nat Genet | 基于62.6万个细胞构建迄今最全面的人类子宫内膜单细胞综合参考图谱

在全球范围内，有数以百万计的女性正在遭受子宫内膜及子宫相关疾病的困扰。相较于其他人体组织和疾病，子宫内膜和相关疾病的细胞异质性高，且需要大量的样本来解释其在时间和空间上的动态变化。已发表的子宫内膜单细胞图谱使用的样本量有限，缺乏对月经周期阶段的全面覆盖、一致的细胞状态注释和可重复的标记基因特征。因此，目前亟需绘制一份完整的人类子宫内膜单细胞参考图谱，包含尽可能广泛的细胞状态和样本。

近期，英国Wellcome Sanger研究所和牛津大学的科研人员合作在Nature Genetics上发表了题为“An integrated single-cell reference atlas of the human endometrium”的文章。研究团队构建了一个高分辨率单细胞参考图谱——人类子宫内膜细胞图谱（HECA），整合了来自患有及未患子宫内膜异位症女性的已发表和新收集的子宫内膜单细胞转录组数据，共涵盖313,527个细胞。HECA提供了跨研究的共识细胞注释并识别出先前未报告的细胞类型；在功能层揭示了基质-上皮细胞的复杂协调机制；在基底层明确了成纤维细胞与上皮细胞之间的信号传导机制。特别地，研究发现蜕膜化基质细胞和巨噬细胞最有可能在子宫内膜异位症中失调。综上，HECA是研究子宫内膜生理和疾病、指导微生理体外系统开发的宝贵资源。

统一数据以生成HECA图谱

为深入理解月经周期中子宫内膜的细胞类型与状态，研究团队对来自121名个体约626,000个高质量细胞及细胞核进行分析，通过将6个公开可用的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据集与新生成的锚定数据集（Mareckova数据集）相结合，构建了单细胞参考图谱HECA。经质量筛选后，最终的综合HECA图谱由来自7个数据集的约313,527个高质量细胞组成，包含63个患有子宫内膜异位症个体和未患有子宫内膜异位症的个体（健康对照）。

为降低技术差异影响，研究团队为上述63名患病个体生成了独立的单核RNA测序（snRNA-seq）数据集。通过机器学习技术在数据集间转移细胞状态特征，研究团队还统一了scRNA-seq和snRNA-seq数据集之间的细胞状态注释，并确定了HECA的稳健性。此外，研究团队在scRNA-seq或snRNA-seq数据中未发现子宫内膜异位症患者特有的细胞状态，但观察到外源性激素对上皮细胞整体转录组的强烈影响。总体而言，该研究构建了迄今为止最全面的人类子宫内膜参考图谱HECA。

图1.人类子宫内膜细胞图谱。

子宫内膜上皮的时空复杂性

子宫内膜上皮由复杂的基底腺网络、延伸至宫腔的功能腺和管腔细胞层组成。研究团队利用空间转录组学及单分子荧光原位杂交（smFISH）成像技术，深入分析了子宫内膜上皮不同区域细胞在增殖期与分泌期所呈现的多种细胞状态。

研究团队识别出一组先前未报道的SOX 9+基底（CDH2+）细胞，其表达与子宫内膜上皮干细胞/祖细胞相关的标志物；并通过表达CXCR 4和CXCL 12与纤维母细胞基底（C7+）细胞进行相互作用。

功能腺的细胞组成在增殖和分泌期表现出高度动态的变化。在增殖期，SOX 9+细胞群体内部存在异质性，并确定了两种SOX 9+细胞状态：SOX 9功能性腺I和II。在分泌期，SOX 9⁺细胞数量显著减少；研究团队将分泌期细分为早期、早中期、中期和晚期，并定义了与这些阶段相关的细胞群。

上述结果表明，研究团队确定了增殖期和分泌期子宫内膜上皮中先前未报告的细胞状态并在空间上对其进行定位，包括在基底层发现的潜在干细胞/祖细胞群和在功能层占主导的多个过渡性细胞状态。

图2.上皮细胞的时空复杂性。

月经周期中的基质-上皮细胞串扰

在月经周期过程中，卵巢激素与局部产生的旁分泌因子共同作用促使基质细胞与上皮细胞同步分化。研究团队通过HECA对子宫内膜细胞进行了精细分类，以推断子宫内膜生态位在空间（基底层与功能层）及时间（月经周期不同阶段）发生的细胞间通讯。已知功能层中存在增殖期特有的子宫内膜基质细胞（eStromal细胞）与分泌期特有的蜕膜化基质细胞（dStromal细胞）。

在HECA中，研究团队在月经期和早期增殖期收集的样本中发现了一种eStromal细胞，其特征表现为金属蛋白酶（MMP1、10）及抑制素A（INHBA）表达上调；在分泌期样本中，观察到出现在分泌期不同阶段的三种dStromal细胞状态，即dStromal early、dStromal mid和dStromal late细胞，其在分泌期的不同阶段富集并上调特定基因。

此外，研究团队还揭示了基质-上皮细胞通过转化生长因子β（TGFβ）信号通路进行复杂协调。TGFβ超家族受体在月经周期的各个阶段由所有上皮细胞和基质细胞表达，而TGFβ及生长分化因子（GDF）亚家族的配体在基质细胞中上调，直至分泌中期/晚期表达降低。

图3.子宫内膜基质细胞异质性和间质-上皮月经周期中的细胞串扰。

巨噬细胞在子宫内膜再生中的作用

为深入了解自然月经周期子宫内膜再生和分化过程中先天性免疫细胞的多样性和动态变化，研究团队对32,322个细胞和24,820个细胞核进行分析。结果显示，在妊娠期子宫内膜（即蜕膜）中存在三种子宫自然杀伤细胞（uNK）亚群（uNK1、uNK2和uNK3）以及两种子宫巨噬细胞（uM）亚群（uM1和uM2）。

研究团队还分析了uMs和uNKs在子宫内膜再生中的作用，发现uMs是参与血管形成、伤口愈合和抗炎反应的主要子宫内膜免疫细胞。uMs中PDGFB表达上调，该蛋白在各种组织的伤口愈合和修复中起关键作用；uMs还表达免疫调节基因，这些基因可能增强增殖期子宫内膜的抗炎反应，这对于该组织无瘢痕再生至关重要。uNK 1则是唯一表达促血管生成因子（VEGFB 和 PIGF）的细胞亚群。

图4.预测的配体-受体相互作用和巨噬细胞在子宫内膜修复与再生

子宫内膜异位症中基质-免疫细胞稳态的改变

研究团队对子宫内膜异位症患者与健康对照组在自然月经周期中的子宫内膜细胞构成进行比较，发现子宫内膜异位症患者dStromal mid细胞丰度较低，uM1细胞丰度较高。此外，通过将HECA与大规模子宫内膜异位症全基因组关联研究（fGWAS）数据相结合，发现蜕膜化基质细胞（dStromal early和 dStromal mid）和巨噬细胞（uM1和uM2）是与子宫内膜异位症风险变异基因位置接近、表达最丰富的细胞类型。子宫内膜异位症患者的子宫内膜中存在基质-免疫细胞稳态的失调。

图5.子宫内膜异位症中的子宫内膜基质-免疫细胞生态位。

综上所述，该研究介绍了HECA，这是迄今为止为患有/未患有子宫内膜异位症患者绘制的最全面的人类子宫内膜综合细胞图谱。该图谱涵盖有史以来最广泛的月经周期阶段，揭示了多种先前未发现的细胞类型，并详细描述了这些细胞在月经周期中经历的动态变化。HECA为推进子宫内膜生理学和疾病相关研究提供了一个平台/工具，并为开发与生理相关的人类子宫内膜体外模型系统提供了指导。

论文原文：

Marečková M, Garcia-Alonso L, Moullet M, et al. An integrated single-cell reference atlas of the human endometrium. Nat Genet. Published online August 28, 2024. 

https://www.nature.com/articles/s41588-024-01873-w

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