单细胞图谱揭示发育中的小鼠大脑中的脑膜白细胞异质性

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文章信息

文章题目：Single-cell atlas reveals meningeal leukocyte heterogeneity in the developing mouse brain
期刊：Genes&Development，1区，影响因子11.3
日期：2021年8月1
作者：Aura Zelco
DOI：10.1101/gad.348190.120

摘要

脑膜是中枢神经系统 (CNS) 的一部分，由三层屏障组成，分为硬脑膜、蛛网膜和软脑膜。这些膜可以防止来自可能影响脑实质的外围的潜在威胁。最近的研究表明脑膜驻留细胞和浸润免疫细胞在生理条件下和病理不同刺激下均会对大脑造成显著影响。

目前对于成年脑膜的单细胞研究已经比较明确，这篇文章是针对未成熟脑及新生鼠脑膜的第一篇研究，主要比较新生鼠与成年鼠以及在窒息后脑膜免疫细胞的变化。

正文重点

首先由于小鼠脑膜免疫细胞数量很少，实验选择了混样策略，这点在动物或者某些穿刺样本中很常见，当然由于人类个人变异性，对于人类穿刺样本建议进行标记后再混样。这篇文章中每组相同处理的3只小鼠脑膜细胞经CD45分选后进行混样，共测了5例样本，整个分析过程也是主要基于Seurat，标准一篇单细胞文章。

1.新生小鼠脑膜白细胞的异质性

文章对于细胞注释方法：Seurat 中使用了 CellMarker 的手动方法和使用 CHETAH（分层聚类辅助的细胞类型表征）的自动注释结合！

CHETAH分层注释还是很有意思的，主要基于一个参考的数据集，a reference SingleCellExperiment with: 1. assay 2. colData column with the corresponding cell types (default “celltypes”)，给出的结果是细胞类型及分类树，还是很有意思的，感兴趣的可以去看下教程：http://www.bioconductor.org/packages/release/bioc/vignettes/CHETAH/inst/doc/CHETAH_introduction.html

回到这篇文章中，对脑膜免疫细胞分类7个大群：border-associated macrophages (BAMs), microglia-like cells, monocytes, neutrophils, T cells, ILCs, and B cells ，figure1主要就是细胞分群，细胞比例、marker基因热图以及UMAP展示，做类似研究的小伙伴可以参考一下，相关图绘制及分析方法在单细胞天地内搜都可以找到的。

随后文章开始对不同的细胞类型进行分别研究：

首先是border-associated macrophages (BAMs)，以往的研究认为胚胎期BAMs由 Mrc1 (CD206)、Lyve1、 Ms4a7 和 Pf4 的表达定义，而新生小鼠脑膜 BAM 簇也表达了典型的特征标记物 Mrc1、Lyve1、Ms4a7和Pf4 ，表明新生儿脑膜中的 BAM 共享胚胎小鼠 BAM 群体共有的特征基因。进一步也进行了荧光染色证实了这一发现。同时进行了逆时序列SCORPIUS 分析表明，新生儿脑膜单核细胞、小胶质细胞样细胞和 BAMs 是三个不同的群体，BAMs 在基因表达方面处于其他两个群体的中间。

这篇文章没有用monocle2/3、PAGA等，而是选用了SCORPIUS，感兴趣的小伙伴可以去看一下https://github.com/rcannood/SCORPIUS

另外SCORPIUS是基于Linear methods在不同的逆时分析方法学对比中给的评价也很好，代码也比较简单：

library(SCORPIUS)
data(ginhoux)
expression <- ginhoux$expression
group_name <- ginhoux$sample_info$group_name
space <- reduce_dimensionality(expression, "spearman")
draw_trajectory_plot(space, group_name, contour = TRUE)
space <- reduce_dimensionality(expression, "spearman")
draw_trajectory_plot(space, group_name, contour = TRUE)
traj <- infer_trajectory(space)
draw_trajectory_plot(space, group_name, traj$path, contour = TRUE)
# warning: setting num_permutations to 10 requires a long time (~30min) to run!
# set it to 0 and define a manual cutoff for the genes (e.g. top 200) for a much shorter execution time.
gimp <- gene_importances(
  expression, 
  traj$time, 
  num_permutations = 10, 
  num_threads = 8, 
  ntree = 10000,
  ntree_perm = 1000
) 
gimp$qvalue <- p.adjust(gimp$pvalue, "BH", length(gimp$pvalue))
gene_sel <- gimp$gene[gimp$qvalue < .05]
expr_sel <- scale_quantile(expression[,gene_sel])

可以看到代码很简单，结果也很直接，有需要的小伙伴可以尝试下

随后对BAM细胞进行了功能分析，显示与成人 BAM 相比，新生儿 BAM 显示出细胞骨架和免疫反应相关的发育变化

这篇文章功能分析采用了Goplot加IPA互相验证~在生信技能树搜索Goplot就可以看到相关推文。

随后文章采用上面相同的分析方法对小胶质细胞、中性粒细胞、单核细胞进行了分析，这里就不再赘述，感兴趣的小伙伴可以去文献里看一下！

总结

研究结果表明新生小鼠脑膜白细胞在生理过程中和早产脑损伤后的重要作用。常驻脑膜白细胞具有高度异质性和组织特异性，新生儿 BAM 在表型和功能方面与成人 BAM 有相似之处，但也有明显差异。发现了一个独特的脑膜细胞群，清楚地表达了小胶质细胞的分子特征，但与实质小胶质细胞不同。这些脑膜小胶质细胞样细胞可能参与大脑发育并帮助维持中枢神经系统稳态。

往期回顾

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看完记得顺手点个“在看”哦！

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