文獻學習032--[sc+st]人類心肌梗死的空間多組學圖譜

1. Integrative spatial and single-cell genomics of the human heart

Fig 1A: 五個患者的心臟樣品胶征,包括1個正常對照,2個急性MI,1個慢性MI贼急,1個慢性非MI蜗元。C: control,RZ: remote zone; BZ: border zone; IZ: ischemic zone; FZ: fibrotic zone;
Fig 1B: 對五個樣品的心臟組織做了空間轉錄組旺罢,單核細胞測序單核細胞ATAC
Fig 1C: 做的分析整了一個圖...

2. Single-cell transcriptome and chromatin landscape revealed heterogeneity of human cardiac cell types

Fig 1D: snRNAseq的數(shù)據得到40530個細胞旷余,分為11個細胞群(24個cluster)
Fig 1E:24個cluster的marker基因熱圖(輔助注釋)
Fig 1F: snATAC-seq數(shù)據的聚類。snATAC-seq的注釋是由snRNAseq的標簽transfer而來
Fig 1G: marker gene的promoter accessibility(與細胞類型相符)
Fig 1H: 使用SPARK鑒定了空間高變基因(結合1A扁达,8個組)正卧,做了富集分析。
在急性MI缺血區(qū)的空間高變基因富集到了固有免疫反應跪解,中性粒細胞脫顆粒炉旷,程序性細胞死亡。
慢性重塑期的空間高變基因則富集到蛋白聚糖,糖蛋白和其它matrisome components窘行,與這些樣品中存在纖維化相一致饥追。
border區(qū)富集到mitochondrial complex I biogenesis和pyruvate metabolism/citric acid TCA cycle。
正常和remote區(qū)的樣品則富集到收縮相關pathway罐盔。

3. Integrative multi-omic analysis of the healthy human heart

對正常的心臟樣品數(shù)據進行整合分析
Fig 2A, B: snRNAseq得到12個細胞群但绕,snATAC-seq得到8個細胞群。
Fig 2C, D: snATAC-seq的TF footprinting分析結果惶看,與細胞群的注釋相一致捏顺。比如MEF2C在心肌細胞中具有高的可及性∥忱瑁【ETV6在巨噬中具有較高的可及性幅骄,SOX8在內皮細胞中具有較高的可及性。(附件)】
分析了單細胞轉錄組和ATAC的數(shù)據本今,后面開始分析空間的數(shù)據
Fig 2E: 空間上聚成了11個cluster拆座,根據空間差異表達基因做了注釋(不是根據單細胞的數(shù)據整合的)。還鑒定出了一群在單細胞數(shù)據中沒有鑒定出來的mast cells (9群)冠息。
整合了單細胞數(shù)據的空間注釋結果放在了Extended Data Fig. 5
單細胞的數(shù)據鑒定出了3群內皮(a)懂拾,跟空間的數(shù)據整合之后發(fā)現(xiàn)這三群內皮存在于不同的cluster (1, 6, 7)
Fig 2F: EC3群和VSMCs在空間上存在共定位,結合功能富集結果提示這是一群arterial/arteriolar endothelial cells铐达。
Fig 2G: 使用MISTy計算了對三種內皮亞群的空間基因表達比較重要的基因岖赋。結果提示局部NPPA, LEPR和INHBA的表達可以預測EC2的marker基因表達。此前研究報道NPPA是subendocardial zone中trabecular myocardium的marker基因瓮孙,提示EC2位于心內膜唐断。
Fig 2H:和G圖一樣,預測了可以代表Fib2的空間基因表達杭抠,發(fā)現(xiàn)多種細胞因子可以解釋Fib2的定位脸甘。

MISTy models the expression of cell-type markers
using spatially contextualized views, for example in the detection spot itself (intraview) or the surrounding (paraview). In this model, an increment in the prediction of gene expression after using spatially contextualized views points at a potential relationship between a spot and its neighbors. This relationship may represent coordinated functions in areas of the tissue or intercellular interactions.

4. Demarcation of the ischemic zone visualized by distinct gene expression and regulation

上一部分分析的是正常心臟,這一部分分析的是急性梗死后2-5d的組織
Fig 3A: 梗死心臟的HE偏灿,空間分群和umap細胞聚類丹诀。0, 1, 2,3, 7是梗死區(qū),其中3群被鑒定為核心梗死區(qū)翁垂。在 A圖左中可以看出3群被紫色炎癥細胞(主要是中性粒細胞)包圍铆遭,提示中性粒細胞浸潤現(xiàn)象代表著典型無灌注心梗的邊界。中性粒細胞主要是8群沿猜,高表達粒細胞的marker, NCF1和ALOX5AP枚荣。
Fig 3B: 一些marker基因的空間表達。CXCL8主要是梗死區(qū)細胞在表達啼肩,提示梗死的心肌可以趨化中性粒橄妆。TNNI3主要在健存心肌表達衙伶。COL3A1的表達則提示早期活化的成纖維的存在。
Fig 3C: MISTy計算的不同細胞群的predicted marker害碾,看到了S100A1在巨噬中的高表達矢劲。
Fig 3D: S100A1的高表達和缺氧信號通路的活化相毗鄰。S100A1是S100家族成員慌随,屬于鈣離子結合蛋白芬沉。有報道顯示S100A1在心梗后可以提高心肌細胞收縮力,與這一基因主要在健存心肌中高表達相一致儒陨。缺氧也很好理解花嘶,心肌細胞梗死了笋籽,當然缺氧蹦漠,為什么單獨把這個pathway拿出來說?結合ATAC的數(shù)據车海,作者發(fā)現(xiàn)缺氧區(qū)域NRF-1的活性上調笛园。NRF-1調節(jié)編碼呼吸鏈亞單位和線粒體功能相關基因的表達,與這一區(qū)域出現(xiàn)缺氧信號通路的活化相一致侍芝。

5. Spatially distinct cardiomyocyte subpopulations in the border zone

前面看了正常的和梗死區(qū)的研铆,這一部分主要分析了邊緣區(qū)的
Fig 4A-C:分別展示了3個組學測到的邊緣區(qū)的細胞和分群。心肌分了2群
Fig 4D:CM1位于移行區(qū)以下 (injured area)州叠,CM2位于移行區(qū)以上棵红。差異表達分析提示CM1高表達NPPB和ANKRD1,這兩個基因此前都有報道會在梗死邊緣區(qū)上調咧栗。損傷區(qū)還存在TGFb通路的活化逆甜。
Fig 4E, F:snATAC的數(shù)據提示CM1和2都對心肌細胞特異性的轉錄因子包括GATA4, MEF2C和MYOD1有很高的結合活性。CM1顯示出增強的NFE2L1結合活性致板。NFE2L1在既往報道中可以在梗死刺激中保護心肌交煞。和CM2相比,CM1顯示出壓力和感染相關的TF的結合活性增強斟或,比如SMAD2/3, JUN和FOS (AP-1 signaling)素征。CM2則顯示出GATA4等TF的結合活性增強。
Fig 4G, H:驗證了前面的表達萝挤,GATA4主要在CM2表達御毅,NFE2L1主要在CM1表達。RUNX2主要在FB1表達怜珍。亚享??為什么忽然挑出來了一個RUNX2绘面?e圖里面也沒有體現(xiàn)這個TF啊
Fig 4I:為了進一步探究心肌細胞群中的不同的順式調節(jié)互作欺税,作者整合了單細胞轉錄組和ATAC的數(shù)據侈沪,檢測了peak-to-gene links。結果提示ANKRD1是顯著上調的peak gene links in cardiomyocytes 1 (Extended data Fig. 10b)晚凿,而且CM1中NFE2L1結合在ANKRD1的上游啟動子位點亭罪。提示NFE2L1對ANKRD1的調控作用。此外歼秽,這些區(qū)域的高H3K4me1信號也支持了心肌細胞中這些cis-regulatory elements的enhancer功能应役。
Fig 4J:一些趨化因子如CCR2的表達也與CM1相關,提示損傷心肌可以趨化巨噬細胞

6. Remodeling of the myocardium post-MI

這一部分分析的是chronic的數(shù)據
不想看了跟前面Fig2-4的分析思路基本上一樣燥筷。主要是關注的成纖維細胞箩祥。

7. Trajectory analysis revealed RUNX1 as a regulator of myofibroblast differentiation in the human heart

纖維化和瘢痕形成是心梗晚期的主要特征,會引起心臟的stiffness肆氓,降低心臟收縮和舒張功能袍祖。所以作者在最后一個部分主要關注了心臟纖維化過程中成纖維細胞向肌成纖維細胞的分化過程。
Fig 6A-C:所有成纖維細胞的降維圖谢揪,不同cluster的marker基因表達和膠原纖維評分蕉陋。不同的亞群表達不同的marker基因。作者對不同的群做了monocle3的擬時許分析拨扶。cluster3的膠原纖維評分評分最低凳鬓,因此把它作為了分化起點。

這個思路可以借鑒哦患民,以后做擬時序不好判斷分化起點的時候缩举,算個成熟評分之類的判斷起點也行

Fig 6D:擬時差異基因沿著時間軸的表達熱圖。提示在向肌成纖維細胞分化的過程中匹颤,SCARA5和PCOLCE2等基因表達下調仅孩,ECM genes和RUNX1表達上調。
Fig 6E:免疫熒光驗證了人類心臟組織中SCARA5+的成纖維細胞的存在惋嚎。為什么只放分化起點的圖不放分化終點的圖杠氢?POSTN和COL15A1的共染的圖太丑嗎?
Fig 6F:計算了POSTN+/SCARA+的細胞比例另伍,也是驗證前面分化軌跡的正確性鼻百。
Fig 6G, H:snATAC的數(shù)據驗證了前面的分化軌跡,組學數(shù)據多就是好摆尝,怎么驗證都行温艇。
Fig 6I:前面用多種方法確定了從成纖維細胞到肌成纖維細胞的分化軌跡,那后面就是要找這個process的調控分子堕汞,直接從scATAC的數(shù)據入手勺爱。作者整合了沿著分化軌跡的gene scores和TF motif activity,鑒定出了很多TFs讯检,這些TFs沿著分化軌跡展示出gene accessibility和motif activity的顯著相關性琐鲁。
Fig 6J, K:從前面的TFs中挑選出代表性的SMAD1和RUNX1卫旱,結合既往文獻進行解釋。
Fig 6L, M:既往文獻報答围段,RUNX1可以和SMAD蛋白結合調控TGFb信號通路顾翼,與這張圖的結果一致。
Fig 6N:成纖維細胞體外驗證了一下前面的結果奈泪。
Together with the known role of RUNX1 in
cardiomyocytes this TF might be a very promising therapeutic target in cardiac remodeling after MI.

整個思路做的很簡單适贸,F(xiàn)ig 1對三個組學的數(shù)據做了整體描述,F(xiàn)ig 2-5分別對正常組織涝桅,梗死組織拜姿,邊緣區(qū)組織和慢性期組織進行了分析。到這里其實也就是個常規(guī)圖譜類文章冯遂。Fig 6稍微引申了一點點機制蕊肥,做了纖維形成過程的擬時許,挑了一個纖維化進展過程中可能起作用的TF债蜜,可能作為治療MI纖維化的治療靶點晴埂。

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