吃透心血管时空图谱研究前沿 | 时空简讯第12期

时空简讯第12期。

心血管疾病严重威胁人类健康，是导致人类死亡的主要病因之一，尤其在中老年人群中高发。认识心血管生理功能和机制，以及相关疾病的发病机制是实行精准预防和治疗心血管疾病的基础。单细胞时空组学技术同样也快速推进心血管的发育以及相关疾病的研究。

本期以心血管为主题，着重推介1篇Nature Reviews Cardiology的综述，将助您一网打尽入门技术到心血管单细胞时空组学前沿进展；同时也推介了1篇综述，介绍了转录组在发现心血管疾病和标记物、应用；还有多篇心血管发育、疾病的最新研究进展，可供了解、参考。

综述

Reviews

Nature Reviews综述：单细胞转录组助力心血管发育、疾病及精准医学

Nature Reviews Cardiology [IF: 32.419]

① 区分并综述了基于孔板或微孔的、微流控的、液滴的单细胞技术原理，单细胞解离制备、测序后质控、降维分析等单细胞数据获得方法和工具，无监督细胞聚类、细胞谱系重建、胞间通讯预测等高级分析方法及在心血管研究领域的应用，并给出了各单细胞转录组技术的性能评价比较表；

② 从心脏发育、成年人心脏稳态/疾病、血管/造血细胞、器官图谱、多能干细胞模型等多个范畴全景式综述了心血管单细胞图谱的研究进展，表格总结、罗列了对应的研究对象和应用技术；

③ 介绍了通过组合标签增加细胞通量的策略、单细胞多组学技术包括空间转录组技术的原理和应用情况；

④ 与癌症精准医学对比，展望了单细胞组学在心血管精准医学方面的应用场景、前景。(LQ)

成年人的心脏细胞类型构成

Single-cell RNA sequencing in cardiovascular development, disease and medicine.

2020.03.30，DOI：10.1038/s41569-020-0359-y.

综述文章；单细胞转录组，心脏，心血管，心血管疾病，精准医学；David T. Paik，Joseph C. Wu; Stanford Cardiovascular Institute, Stanford University School of Medicine; USA.

转录组剖析心血管疾病

Cardiovascular Research [IF: 10.787]

① 非编码RNA是心血管系统中关键的分化、稳态和病理调节因子，但研究尚处在初级阶段，且技术方法仍需改进;

② 不同种类的ncRNA (rRNA、lincRNA和lncRNA等)在疾病调节过程中起着关键作用，且RNA的完整度对于研究结果影响很大;

③ lncRNA在翻译调控和短肽产生过程中发挥着作用，在细胞信息传递过程中也发挥关键作用;

④ 可变剪接可以产生功能性非编码RNA，在病理调节中起着关键作用，AS的病理相关性研究是心血管疾病基因组学的一大热点;

⑤ 目前只有两种基于RNA的心血管疾病体外诊断的生物标志物商业可用，CorusVR CAD和AlloMapVR，但临床使用条件较为局限;

⑥ 心脏组织中的细胞种类众多，将各种组织分别进行研究有助于对心血管疾病的认识，单细胞测序技术将为心血管稳态和疾病过程研究提供关键的和新的见解;

⑦ 人工智能、全组织和单细胞测序等新技术的兴起将带来新的发现和临床有关的应用，并最终为心血管疾病患者带来更完善和更安全的治疗方法。(赵超越)

Dissecting the transcriptome in cardiovascular disease.

2021.03.23, DOI: 10.1093/cvr/cvab117.

综述文章；医学，转化医学，心血管，转录组, 非编码RNA, 标准化, 单细胞转录组，空间转录组；Y. Devaux, T. Pedrazzini, F. Martelli, Emma L. Robinson; Maastricht University, University of Lausanne, IRCCS, Luxembourg Institute of Health; Netherlands, Luxembourg, Switzerland, Italy.

心血管发育

Cardiovascular development

Joakim Lundeberg团队：发育中的人类心脏细胞和基因时空图谱

Cell [33.116]

①  对4.5-5、6.5和9个孕周的妊娠早期的人类胚胎心脏，进行空间转录组（4片、9片和6片）和scRNA-seq（6.5孕周胚胎心脏，分上下两份，3717个高质量的单细胞）和69个基因的靶向原位测序（ISS）验证了细胞分型和空间基因表达模式与ST和scRNA-seq一致，并整合成亚细胞分辨率的3D转录图谱；

②  空间转录组得到3115个spot、降维和聚类确定了10个时空保守的簇，对应10个不同的解剖区域；免疫组化分析显示包含有肺静脉的纵膈组织在6.5周后才出现；

③  解剖区域间的基因表达差异分析揭示了心脏发育过程中不同区域对应生物学功能的变化，且发现解剖区域间比各时间点间的差异更明显，表明空间基因表达是在胚胎发育早期建立并维持的；

④  单细胞转录组鉴定到15个细胞簇，对应从心肌细胞和成纤维细胞到平滑肌和内皮细胞等已知心肌细胞类型，还检测到3种心肌细胞、心脏神经嵴细胞、Schwann前体细胞、心外膜细胞、EPDC (epicardium-derived cell)、2种内皮细胞和4种类成纤维细胞；

⑤  深入分析了不同细胞类型在心脏发育中的作用，各细胞簇所处空间位置与独特功能特性耦合，如EPDC主要存在于AV (atrioventricular)心外膜下间质，参与器官和肌肉的发育；类成纤维细胞细胞中，与簇2相关的细胞主要分布在OFT (outflow tract)的基部和瓣膜内，簇5主要分布在OFT内并参与其形态发生等；

⑥ 将以上数据和信息网络开放供查询使用(https://hdca-sweden.scilifelab.se/a-study-on-human-heart-development/)。(LQ/赵芳)

心脏时空图谱研究方案示意图

A Spatiotemporal Organ-Wide Gene Expression and Cell Atlas of the Developing Human Heart.

2019.12.12, DOI: 10.1016/j.cell.2019.11.025.

研究文章; 人，胚胎，心脏，空间转录组，scRNA-seq, ISS, 器官结构, 发育生物学, 时空图谱; Michaela Asp, Stefania Giacomello, Joakim Lundeberg; KTH Royal Institute of Technology, Stockholm University; Sweden.

单细胞转录组分析绘制5W-25W周人类胚胎心脏发育轨迹

Cell reports [9.423]

① 18个5W-25W周人类胚胎scRNA-seq获得4,948个心脏细胞的基因表达图谱，鉴定为4种主要类型的细胞：心肌细胞(CMs)、心脏成纤维细胞、内皮细胞(ECs)和瓣膜间质细胞(VICs)；

② CMs的基因表达具有明显的区域特征，早在5W的心房和心室心肌细胞就已经体现出来；ECM基因在CMs和成纤维细胞中的表达均呈现逐步增加趋势，且5W到6W急剧增加；VICs分化为房室瓣和半月瓣，可能参与重构；EC具备特定微环境的表达特征，有利于追踪不同EC亚型的起源；

③ 揭示了对细胞类型的分化和成熟具有潜在重要意义的关键信号通路：在早期阶段，NOTCH信号通路促进CM从小梁层分化；心脏祖细胞可以通过在心脏发生过程中激活BMP信号通路而成为CMs；在四个腔室形成后，CMs中BMP配体BMP5和BMP7可能激活ECs和成纤维细胞中BMP信号通路，控制其命运。

④ 比较了人类和小鼠之间的基因表达谱，并确定了一系列人类心脏发育的独特特征，为阐明人心脏在体内发育机制奠定了基础。(TransF)

研究技术路线

Single-Cell Transcriptome Analysis Maps the Developmental Track of the Human Heart.

2019.02.12, DOI: 10.1016/j.celrep.2019.01.079.

研究文章；人类，小鼠，心脏，发育，scRNA-seq，跨物种比较；Yueli Cui，汤富酬，乔杰；北京大学；中国

出生后哺乳动物心脏细胞多样性和功能成熟过程

Genes Dev [8.990]

① 出生后健康小鼠心脏snRNA-seq分析，获得7760个核，鉴定出包括心肌细胞、成纤维细胞和内皮细胞等常见细胞以及周皮或平滑肌细胞、血细胞和心外膜细胞等少见细胞共14种细胞类型；

② 出生后发育心脏的心肌细胞、成纤维细胞和内皮细胞具有显著的异质性，鉴定出丰富的细胞亚型，扩展了心脏细胞图谱的特异性标记基因列表；

③ 分析正常小鼠P6和P10时期转录水平变化，发现pCM(Proliferating cardiomyocytes)和dCM(developing cardiomyocytes)两种心肌亚型代表心肌不同的成熟阶段，提示心肌分化成熟是小鼠出生后心脏发育时期的重要生物学活动；

④ 患线粒体心肌病（敲除ERRα/γ）小鼠模型的转录snRNA-seq分析，获得7323个核，鉴定出13种细胞类型，发现敲除小鼠细胞类型表现出显著的转录变化，提示不同的心脏细胞类型在心脏病进展中经历不同水平的转录重塑；

⑤ 定义出激活重要心脏病标志物Gdf15转录的细胞类型特异性GRNs：发现Gdf15⁺在敲除小鼠心脏中被显著激活；实验证明，Gata4通过与一个典型的Gata4位点结合增加了Gdf15启动子的活性，结果揭示了Gdf15在心脏病中诱导的分子机制。(TransF)

Single-nucleus transcriptomic survey of cell diversity and functional maturation in postnatal mammalian hearts.

2018.10.01, DOI: 10.1101/gad.316802.118.

研究文章；小鼠，snRNA-seq，ERRγ，GDF15，心脏，发育，线粒体心肌病；Peng Hu, Jian Liu, Juanjuan Zhao; Children's Hospital of Philadelphia; USA.

综合时空转录组和单细胞转录组解析鸡心脏形态发生和细胞分化

Nature Communication [IF：14.919]

① 算法整合单细胞和空间转录组数据，绘制出鸡心脏四个腔室的发育细胞谱系层次图;

② 从EMT前、EMT期间、EMT到心外膜分化期间和心外膜分化中或后四个时期重构了心外膜、心内膜和心肌细胞的分化轨迹；

③ 通过对空间RNA-seq spots进行无监督聚类，识别出从心室、心房、瓣膜和流出通路衍生的不同空间簇，也识别出心室区域的不同层，包括心外膜、心肌致密区和小梁区以及心内膜；

④ 单细胞转录组的无监督聚类鉴定出一个富含TMSB4X（编码胸腺素-4）的异质细胞簇。(Trans F)

研究设计鸡心脏时空图谱概览

Spatiotemporal single-cell RNA sequencing of developing chicken hearts identifies interplay between cellular differentiation and morphogenesis.

2021.03.19, DOI:10.1038/s41467-021-21892-z.

研究文章; 鸡，心脏，单细胞转录组，空间转录组，发育；Madhav Mantri, Gaetano J. Scuderi, Jonathan T. Butcher, Iwijn De Vlaminck; Cornell University; USA.

单细胞图谱揭示灵长类动物食蟹猴动脉衰老机制

Nature Communications [IF: 14.919]

①  对8只幼年(4-6岁)和8只成年(18-21岁)健康食蟹猴的易病变主动脉和冠状动脉进行电镜三维重构等组织学分析，揭示老年主动脉呈现血管壁增厚、钙化、纤维化以及血管内皮细胞减损等衰老特征；

② FACS分选CD31⁺和CD31⁻细胞scRNA-seq获得7,989高质量血管壁细胞转录组 (幼年组3658个，成年组4331个；平均3112个基因/细胞)，绘制了主动脉及冠状动脉的内皮细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞等血管细胞类型(9个细胞簇)的基因表达图谱，并鉴定出8种标记物来区分主动脉和冠状动脉血管；

③ 差异基因表达网络分析显示，转录因子FOXO3A（长寿基因FOXO3A编码的蛋白产物）是调控衰老血管差异表达基因的关键分子节点，FOXO3A在6种衰老的血管壁细胞中表达均下调，是灵长类动脉血管衰老的重要特征；

④  结合胚胎干细胞基因编辑和定向诱导分化技术，获得靶向敲除FOXO3A 基因的人类血管内皮细胞；敲除FOXO3A 的血管内皮细胞表现出增殖、迁移和成管等能力的退化，被移植到小鼠的缺血后肢后，FOXO3A缺失的内皮细胞的血管修复能力也显著降低，证实FOXO3A对于维持灵长类动脉血管稳态的重要作用。（Kst-Les）

主动脉和冠状动脉单细胞图谱概览

A single-cell transcriptomic landscape of primate arterial aging.

2020.05.05, DOI: 10.1038/s41467-020-15997-0.

研究文章；灵长类，食蟹猴，动脉，衰老，FOXO3A，scRNA-seq，血管，内皮细胞；Weiqi Zhang, Shu Zhang, Pengze Yan, Jie Ren, Guang-Hui Liu, 汤富酬, Jing Qu；中国科学院，北京基因组研究所, 中国科学院大学，北京大学；中国

心血管疾病

Cardiovascular disease

单细胞转录组定义心肌梗死小鼠心脏中心外膜和成纤维细胞的异质性

eLife [8.140]

① 心肌梗死后5天(缺血50 min，再灌注)的小鼠心脏(n = 3)分离心外膜基质细胞(EpiSC)和激活的心脏基质细胞(aCSC)，scRNA-seq鉴定了11种EpiSC类型（13,796个细胞），并结合RNA速率分析和细胞周期分析将其分为3组；

② 对aCSC聚类共鉴定出11种细胞类型 (24,470个细胞)，其高表达间充质/成纤维细胞相关基因；对心脏未受损的小鼠分离心肌基质细胞（CSC）聚类共鉴定出12种细胞类型(24,781个细胞)，其高表达成纤维细胞标志基因Gsn；

③ EpiSC-7位于心外膜最外层，EpiSC-1, -8, -4位于较外层，而EpiSC-6, -10, -3分散在心梗边界区的心外膜和aCSC之间；

④ WT1⁺细胞表达心脏发生相关因子可以促进心脏发育，心外膜细胞可以分泌趋化因子、促血管生成因子等分泌因子调节心肌损伤。(TransF)

Single-cell transcriptomics defines heterogeneity of epicardial cells and fibroblasts within the infarcted murine heart.

2021.06.21, DOI: 10.7554/eLife.65921.

研究文章，小鼠，心脏，单细胞RNA测序，成纤维细胞，心外膜，心肌梗死，转录组, Julia Hesse, Christoph Owenier; Heinrich-Heine-University Düsseldorf; Germany.  

snRNA-seq+scATAC-seq+空间转录组: 心脏和心肌梗死的时空多组学图谱

BioRxiv

① 4例心肌梗死患者和1例健康供者(对照，C)的8例左心室组织标本：急性心肌梗死患者的坏死中心(缺血区，IZ)、边界区(BZ)和未受影响的左心室心肌(远端区，RZ)作为对照，2例心肌梗死(心肌纤维化区FZ)后晚期(3个月和12年)的正常心肌和心肌梗死组织，结合snRNA-seq、scATAC-seq、空间转录组分析和组织定位，在空间上绘制基因表达谱和控制基因调控的表观组，了解在心脏瘢痕形成过程中驱动成纤维细胞向肌成纤维细胞分化的基因调控机制；

② snRNA-seq共获得40530个核转录组，鉴定到24簇、10种主要细胞类型，scATAC-seq能够鉴定到其中的8种细胞类群；主要的细胞类型存在于大多数标本中，多种细胞类型仅在单个标本中被识别，反映了损伤或修复过程中不同的细胞状态；

③ 在急性心肌梗死IZ区，观察到与先天免疫系统、中性粒细胞脱颗粒和程序性细胞死亡以及纤维化和肌肉收缩过程的相关的空间可变基因表达的富集;

④ 健康样本snRNA-seq (n = 8,335)和snATAC-seq (n = 3,849)中鉴定出12种细胞类型，鉴定了区分两个成纤维细胞亚簇成纤维细胞的空间分辨的差异基因，以及多个可以解释成纤维细胞2 (Fib2)位置的细胞因子；

⑤ 心肌梗死的边缘区的空间重构与心功能的恢复密不可分，鉴定了一个特定的空间过渡区，该区域将不同基因表达区分开；

⑥ 空间表达差异分析发现，JAK-STAT和TGFβ活性增加是纤维化重塑乃至瘢痕形成的重要途径；

⑦ 在急性心肌梗死组织缺血区标本的snRNA-seq和snATAC-seq数据中鉴定到4种不同的细胞类群；空间转录组分析确定了一个核心缺血区（cluster 3），其表达特征与病理分区一致；观察到新血管生成的早期迹象，EGFL7和SOX4表达，以及一个心肌细胞簇显示内质网应激标记基因表达，如HERPUD1；

⑧ 整合snRNA-seq数据所有成纤维细胞，并鉴定出9个异质性的亚簇，分化轨迹分析显示RUNX1是肌成纤维细胞分化的重要驱动因子，并且通过放大TGFβ信号发挥作用。（LQ/猫咪）

研究样本选择和技术处理策略

Spatial multi-omic map of human myocardial infarction.

2020.12.10, DOI: 10.1101/2020.12.08.411686.

研究文章; 人，心脏，心肌梗死，snRNA-seq，snATAC-seq，空间转录组，成纤维细胞，心肌细胞；Christoph Kuppe, Ricardo O. Ramirez Flores, Zhijian Li, Julio Saez-Rodriguez, Rafael Kramann, RWTH Aachen University, Heidelberg University, Germany.

人类动脉粥样硬化斑块的单细胞图谱

Circulation Research [IF 17.37]

① 对动脉内膜切除术获得的18个斑块样本CEL-seq2单细胞转录组测序，获得3,282高质量的细胞，分成了14个细胞簇，注释到内皮细胞、平滑肌细胞、肥大细胞、B细胞、骨髓细胞和T细胞等类群；

② 内皮细胞可以分为4个亚类，其中E. 0，E.1和E.2代表活化的内皮细胞，通过细胞粘附和新血管形成以及介导白细胞外渗而积极加重晚期病变中的炎症；E.3亚类主要表达典型的SMC标记，功能富集分析表明该子集可能正在经历内皮-间质的相互转化；

③ 根据CD4和CD8的激活亚型，4个T细胞簇进一步分别分成了5个和3个亚型，都显示出细胞毒性逐渐下降到更加静止的表型；

④ 髓系细胞可以区分成五个亚类(簇)，包含3个不同分化状态的巨噬细胞类型，表达促炎和抗炎的marker基因，和1类树突细胞及1类调节性T细胞；

⑤ scATAC-seq鉴定了调控T细胞和髓系亚群之间相互激活的细胞因子的转录因子；

⑥ 发现心血管疾病易感基因在在病变巨噬细胞、内皮细胞和平滑肌细胞等特定类群中表达丰富。（小苇）

研究流程图

Microanatomy of the Human Atherosclerotic Plaque by Single-Cell Transcriptomics.

2020.11.06, DOI: 10. 1161/ CIRCRESAHA. 120. 316770. 

研究文章；人，颈动脉，动脉粥样硬化，心血管疾病，CEL-seq2，scRNA-seq，scATAC-seq；Marie A.C. Depuydt, Koen H.M. Prange, Lotte Slenders, Michal Mokry, Johan Kuiper, Menno P.J. de Winther, Gerard Pasterkamp；Leiden University，University of Amsterdam, University Medical Center；Netherlands.

编辑/力强

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