Life Med | 郭国骥/黄金刚从单细胞水平解析基质细胞发育过程

基质细胞（Stromal cells）与胞外基质蛋白相互交联，如同建造房屋的地基一般，是构成生命体组织或者器官的重要基石，支撑着体内中的各种功能细胞类型，如上皮细胞、内皮细胞、肌肉细胞、以及神经细胞等的存活和功能施展。近年来，利用单细胞测序技术（Single cell sequencing）对组织或者整个生命体进行无偏差的解析极大地拓宽了我们对基质细胞种类和功能的认知。然而，当前相关的研究主要集中在成年个体或者各种的疾病状态下，对基质细胞在多时期和多组织的层面上进行系统性分析仍旧缺乏。

2022年9月，浙江大学医学院郭国骥课题组与中山大学医学研究中心黄金刚课题组合作在Life Medicine杂志在线发表了题为Elucidating the developmental dynamics of mouse stromal cells at single-cell level的研究论文，从单细胞水平揭示了小鼠从胚胎发育、出生、到个体成熟中多个关键发育时期的基质细胞种类异质性及动态的基因表达动态。研究人员充分利用前期的研究成果，包括小鼠单细胞图谱（Mouse cell atlas, MCA）、人类单细胞图谱（Human cell landscape, HCL）等单细胞测序数据，结合生物信息学和人工比对等多种手段对各时期和各组织的细胞类型进行了精确地注释校准。在此基础上，提取各组织中的基质细胞类型绘制了小鼠基质细胞图谱（Mouse cell landscape, mSCL）。小鼠基质细胞图谱涵盖了从胚胎期到成年期共7个关键时间点，共检测到了18种显著差异的细胞类型。其包括多种重要的基质细胞类型，如间充质细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞、间皮细胞等。在时间维度上看，胚胎期相对于成年期异质性较低，成年期组织存在较多的基质细胞种类。针对处于发育期的小鼠，研究人员还分析到了许多组织特异的基质细胞类型。在胎盘、卵巢和子宫中检测到表达较多应激反应基因的一种细胞类型，这种细胞主要集中分布在小鼠新生期前后，推测其与出生后的环境暴露有关；在心脏和肝脏中检测到了软骨细胞样的细胞类型，有研究显示这种细胞群表达的一些基因主要集中于心瓣膜等区域，该细胞类型主要分布在幼龄期，可能参与心脏瓣膜发育进程；在出生后第10天的中肺组织中，检测到一群高表达Tnc、Adh1等基因的细胞群，Hurskainen et al (2021)发现这些重要基因表达于肺组织的细胞间质中，参与肺泡隔的形态发生。此外，与人类基质细胞图谱比较显示小鼠和人类的基质细胞类型表达谱高度相似，同时发育中的基质细胞类型也呈现出显著的一致性。由此说明小鼠基质细胞的发育具有较强的组织特异性和时期特异性，且人鼠基质细胞具有较强的保守性，这种保守性涵盖到两个物种的发育进程中。基质细胞除维持各组织的形态结构外，还具有较强的分泌功能，研究人员进一步分析了这些基质细胞群的分泌谱，分泌谱主要是通过分析基质细胞的胶原蛋白基因和ECM基因的表达情况。分析结果表明处于胚胎期的基质细胞类型拥有较低水平的分泌谱，而分布于其它各组织中的细胞类型则产生不同组合分泌基因的差异分泌谱。进一步的差异基因分析也显示，不同组织中基质细胞会表达一些不同的差异基因种类。由此，研究人员提出在多器官物种的发育进程中，各组织中的不同基质细胞类型，分泌出不同的胞外基质成分，构建了差异性的组织微环境，能为相关功能细胞类型提供个性化的发育场所，进而促进了各组织的形成与成熟。在此基础上，研究人员进一步分析了小鼠发育过程中基质细胞的命运分化和基因表达动态。结合发育时间信息，UMAP图初步显示了基质细胞从胚胎期往成年期的命运转变，进一步采用Monocle2更为细致地分析了多种基质细胞类型的连续发育过程。从整体基因功能上看，胚胎期的基质细胞富集到细胞周期、核酸运输、以及对胰岛素响应反应等功能，随后是细胞周期的反向调节、胞外基质结构重塑，到成年期的胶原纤维的结合和外界刺激的响应等生物学功能。同时，研究人员还重点分析了细胞增殖、胶原蛋白基因、和ECM重塑基因等随小鼠发育时间的变化规律。其中，从7个发育时间轴上看，细胞增殖相关的基因整体表达下调，而胶原蛋白基因、和ECM重塑基因等呈现表达上调的趋势。总体上，基因的表达分析描述了一幅基质细胞早期维持高速的增殖、伴随着细胞类型的命运决定胶原等基质细胞身份相关基因的逐渐积累、到成年后细胞达到一种稳定状态的动态基因画卷。在基因的分析中，本研究还发现许多基质细胞在胚胎期特异性表达的基因，据报道其中许多基因（如H19, Dlk1, Crabp1）与正常的胚胎发育和个体生长密切相关，成年期异常表达与疾病发生存在显著的关联性。为了探索胚胎特异基因与疾病发生的潜在联系，研究人员联合疾病扰动状态下小鼠成纤维细胞图谱（Matthew et al，2020）的数据进行分析，结果表明一些胚胎特异基因在扰动的特异群中具有较高水平的表达，而在成年正常的成纤维细胞中并不表达。将该扰动特异群与本研究绘制的小鼠基质细胞图谱进行对比，结果显示其与小鼠新生期（P0）的Col1a2+成纤维细胞群转录谱高度相似，且显著相关的细胞群主要来源于皮肤损伤的扰动条件下。Abbasi et al（2020）对皮肤大伤疤损伤模型进行研究发现，皮肤再生过程中存在着一种具有干性和再生潜能的成纤维细胞。综合这些线索，本研究推测胚胎期特异的基因可能参与了早期基质细胞的发育过程，其在成体的疾病扰动状态下的重新激活，或将成年的基质细胞类型推回到了一个发育过程的中间状态。总的来说，本项研究充分利用实验室的单细胞数据资源构建了一个小鼠基质细胞发育图谱，详细解析了基质细胞在小鼠发育中的组织特异性和时期特异性。胚胎期的快速增殖和成年期的胶原沉积是基质细胞生命周期的两大特征。此外，该研究还对小鼠基质细胞发育的基因动态进行了详细地解析，并重点阐述了胚胎期特异的基因，如Dlk1、Crabp1等在基质细胞命运决定和维持的作用。伴随着原位空间转录组等多组学技术的发展，从细胞网络的视角上分析基质细胞与其它细胞类型的相互作用及具体的生学功能将能更全面地帮助认识基质细胞。点击最下方“阅读原文”，查看Life Medicine英文全文参考文献：Han, X. et al. Mapping the Mouse Cell Atlas by Microwell-Seq. Cell 172, 1091-1107, (2018).Han, X. et al. Construction of a human cell landscape at single-cell level. Nature 581, 303-309, (2020).Buechler, M. B. et al. Cross-tissue organization of the fibroblast lineage. Nature 593, 575-579, (2021).Abbasi, S. et al. Distinct Regulatory Programs Control the Latent Regenerative Potential of Dermal Fibroblasts during Wound Healing. Cell Stem Cell 27, 396-412, (2020).Almanzar, N. et al. A single-cell transcriptomic atlas characterizes ageing tissues in the mouse. Nature 583, 590-595, (2020).Abbasi, S. et al. Distinct Regulatory Programs Control the Latent Regenerative Potential of Dermal Fibroblasts during Wound Healing. Cell Stem Cell 27, 396-412, (2020).
原文链接：https://doi.org/10.1093/lifemedi/lnac037

作者简介

郭国骥

浙江大学

郭国骥，浙江大学医学院教授，博士生导师，浙江大学医学院干细胞与再生医学中心副主任，浙江大学血液学研究所副所长，浙江大学干细胞联盟副主席。2014年由浙江大学高层次人才引进计划从哈佛大学医学院引进并全职回国，成为浙江大学最年轻的教授之一。2017年获“国家优秀青年基金”，2019年入选“万人计划”科技创新领军人才。现任中国生理学会血液生理学专业委员会委员，中国细胞学会衰老细胞生物学分会委员，中国医药生物技术协会基因检测分会委员。曾获“树兰医学青年奖”，“霍英东青年教师奖”，“细胞生物学会青年科学家奖”等荣誉。一直致力于单细胞分析技术的开发与应用，并在细胞图谱的绘制上有突出贡献；已在Nature，Cell，Nature Genetics，Cell Stem Cell等著名期刊发表多篇学术论文。

制版：嘉明

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