单细胞多组学技术揭示新生小鼠可再生心脏的细胞调控网络

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时间：2020/10/8

期刊：Cell Rep. 8.109

平台：10X scRNA-seq&10X scATAC-seq

doi: 10.1016/j.celrep.2020.108472.

摘要

成年哺乳动物的心脏在损伤后再生能力有限，而新生儿的心脏在出生后如果受损却很容易再生。新生儿的心脏再生过程是由心脏固有的多种细胞类型以及受伤后渗入心脏的免疫细胞协调完成。为了阐明小鼠心脏损伤后不同细胞成分的转录反应，作者对心肌梗死后不同时间点的新生儿心脏进行了单细胞RNA测序和单细胞ATAC测序，单细胞ATAC测序揭示了不同心脏细胞类型的开放染色质景观和再生基因调控网络的潜在动力学，并揭示了心肌细胞增殖、血管生成和成纤维细胞激活的细胞外介质。最后作者的数据为新生儿心脏的单细胞再生提供了转录基础，并提出了心脏损伤后功能增强的策略。

实验策略

主要结果

1.新生儿心脏再生过程中的单细胞RNA分析

来自8个不同的样本，通过10X genomics单细胞测序平台最终获得17320个单细胞（已过滤低质量数据和红细胞）。左图展示不同细胞类型的注释情况，右图展示了免疫细胞的比例在心脏受损后明显增加，特别是P1新生组中，从7.9%上升到32.85%。这些发现反映了新生儿心脏再生和心肌梗死后重塑过程中快速的免疫细胞浸润。

2. scATAC-Seq揭示了新生小鼠心脏染色质可及性景观

基于基因可及性(启动子和基因体区域染色质可及性)，以及已知标记基因基因组区域染色质可及性的人工注释，确定了这9个cluster，并将它们划分为CMs、动脉内皮细胞(Art.ECs)、血管内皮细胞(VECs)、心内膜细胞(endocardiac cells, Endos)、FB、SMC和周细胞(SMC/周细胞)、心外膜细胞(Epis)、巨噬细胞和淋巴细胞。D图是不同类型细胞的marker peak展示。

作者认为如果满足以下条件，TF可能参与细胞类型特异性基因调控:motif应该在特定细胞类型的开放染色质区域富集;(2) TF的表达应该在相同的特定细胞类型中富集，这是由scATAC-seq启动子区或scATAC-seq基因本体的染色质可达性决定的。

NKX2-5、ETS1和TCF21，它们分别是CMs、ECs和FBs谱系特异性基因表达所必需的，都在相应细胞类型的开放染色质区域显示motif富集。这些分析进一步支持了EBF1在smc和周细胞中作为潜在转录调控因子的作用。综上所述，这些数据揭示了由细胞类型特异性转录因子控制的基因调控网络，并揭示了先前未被识别的转录因子在细胞类型特异性基因调控中的潜在作用。

3. 心肌细胞类型特异性的调控网络图

作者试图研究在心肌梗死后的再生和非再生心脏中，控制三种最丰富的心脏驻细胞类型:CM心肌细胞、EC内皮细胞和FB纤维细胞的转录反应的顺式调节元件及其相关转录因子。

作者将MI诱导的开放染色质区域,将不同时期（P1和P8）的scATAC数据相交，并识别出不同时期P1、P8特有的或共享的peak。Motif分析进一步揭示了潜在的TFs可以结合到这些区域并调控靶基因的表达。

作者进一步检查了几个在心肌细胞增殖中具有已知功能的TFs，以验证scATAC-seq数据的真实度。例如，Tead3，一种被hippoap通路激活的TF，作图显示了心肌细胞从P4到P11时期，基因本体区域开放染色质可达性的逐步降低。这一发现与出生后发育过程中Tead3表达下调和心肌细胞周期活性降低相一致。

P1+3 dpi样品中Tead3的motif富集相对P1+3 dps组较高，这一现象与P1时期心脏心肌梗死后心肌细胞增殖增加的报道相一致。

Gli1和Mycn都被认为是新生儿心脏再生过程中CM增殖的阳性调节因子，与P8心脏相比，它们在P1心脏中优先表达。下图的数据支持了Gli1- Mycn网络在调节CM增殖和心脏再生中的作用。

总之，这些分析突出了再生心脏和非再生心脏中可获取的顺式调节元件在心肌梗死反应中的差异，并指出了在不同细胞类型的新生儿心脏再生和非再生心脏重塑过程中触发损伤诱导基因调节网络的潜在TFs。

接下来作者按照对心肌细胞进一步挖掘的思路，又分别对内皮细胞、成纤维细胞、心外膜细胞、免疫细胞结合scATAC和scRNA的数据做了进一步的异质性分析和调控网络图挖掘，以及不同时期的差异分析。因为后续的细胞亚型分析，思路基本一致，小编在这边就不再赘述，感兴趣的客户点击阅读原文，获得原文。

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