Litviňuková, M., Talavera-López, C., Maatz, H. et al. Cells of the adult human heart. Nature (2020).
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2797-4

內(nèi)容提要 ：本文需要一些關(guān)于心臟的生理以及解剖學(xué)知識(shí)贝乎，但是這里僅著重介紹本文的“選材”挽拔、“方法”、“思路”答倡，對(duì)其知識(shí)方面不做過(guò)多贅述码俩。

分享理由：這是一篇很典型的大規(guī)模scRNA-seq的文章度帮，特別之處在于它是對(duì)一個(gè)完整的“器官”建立了全景圖，并且心臟是一個(gè)無(wú)論從功能還是結(jié)構(gòu)上來(lái)講都高度復(fù)雜的器官。如何從生理功能以及器官建成的角度去解讀單細(xì)胞測(cè)序的數(shù)據(jù)是我非常關(guān)注的地方笨篷。

研究背景介紹（來(lái)自文章摘要以及簡(jiǎn)介部分）：

1. 本研究的重要性以及必要性：心血管疾病在全球范圍內(nèi)都是造成死亡的主要因素瞳秽。 對(duì)疾病機(jī)制和治療策略的深入了解需要對(duì)健康心臟的分子過(guò)程有更深入的了解。
2. 背景知識(shí)：心臟是一個(gè)復(fù)雜的器官率翅，由四個(gè)形態(tài)和
   功能上不同的腔室組成练俐。 脫氧血低壓右心房和心室被推進(jìn)肺部。
   含氧血液進(jìn)入左心房和心室冕臭，從而推動(dòng)全身壓力下的血液通過(guò)全身腺晾。 腔室的分離通過(guò)房間隔和心室間隔建立，血液的單向流動(dòng)
   由房室和心室動(dòng)脈瓣膜建立辜贵。心臟內(nèi)在的電生理系統(tǒng)迅速傳播
   從竇房結(jié)到房室結(jié)的電神經(jīng)沖動(dòng)悯蝉，并沿著浦肯野纖維到收縮開始的頂點(diǎn)。 心臟的解剖和功能復(fù)雜性要求精密的協(xié)調(diào)不同種類細(xì)胞群體在不同壓力托慨，拉力和生物物理?xiàng)l件下的刺激中不斷收縮和松弛鼻由。
3. 結(jié)果：應(yīng)用單細(xì)胞測(cè)序、單細(xì)胞核測(cè)序以及單分子熒光原位雜交鑒定了成人心臟6個(gè)解剖學(xué)區(qū)域的特征厚棵。展現(xiàn)了它們的細(xì)胞構(gòu)成異質(zhì)性以及不同的發(fā)育特征蕉世。我們定義了心臟脈管系統(tǒng)的復(fù)雜性和
   它沿著動(dòng)靜脈軸的變化。 在免疫部分窟感，我們確定
   心臟常駐巨噬細(xì)胞讨彼，具有炎癥和保護(hù)性轉(zhuǎn)錄的特點(diǎn)。 此外柿祈，細(xì)胞間相互作用的分析突出顯示了不同心房和心室之間的巨噬細(xì)胞-成纖維細(xì)胞-心肌細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)與骨骼肌不同哈误。

成人心臟細(xì)胞全景圖

a.展示樣本處理流程b.男性\女性之間的差異c.UMAP嵌入487,106個(gè)細(xì)胞和細(xì)胞核描述11種心臟細(xì)胞類型和標(biāo)記基因

主要的marker，圖片過(guò)長(zhǎng)未完全截取

b.展示上圖中那些經(jīng)典標(biāo)志物的表達(dá)量躏嚎，c.這些標(biāo)志物在單細(xì)胞以及細(xì)胞核中都適用

多重單分子熒光原位雜交（Multiplexed smFISH staining）展示細(xì)胞類型特異的轉(zhuǎn)錄譜

主要工作

• 分離單細(xì)胞蜜自、細(xì)胞核、CD45+陽(yáng)性細(xì)胞
• 根據(jù)marker genes對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分群
• 對(duì)分群結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析卢佣，主要包括各類細(xì)胞所占的比例重荠、不同功能區(qū)室（例如心房、心室）細(xì)胞構(gòu)成的差別虚茶、男性捐獻(xiàn)者和女性捐獻(xiàn)者心臟的差別戈鲁。

主要結(jié)果以及推論

• 10X Genomics 獲得數(shù)據(jù)集 45,870 cells, 78,023 CD45+ enriched cells and 363,213 nuclei for 11 major cell types
  心房心肌細(xì)胞（aCM），心室心肌細(xì)胞（vCM）嘹叫，成纖維細(xì)胞（FB）婆殿，內(nèi)皮細(xì)胞（EC），周細(xì)胞（PC）罩扇，平滑肌細(xì)胞（SMC）婆芦，免疫（髓樣怕磨，Myel；淋巴樣消约，Lym）肠鲫，脂肪細(xì)胞（Adip），間皮細(xì)胞（Meso）和神經(jīng)元細(xì)胞（NC）
• 心房心室細(xì)胞類型及分布不同見(jiàn)Figure 1c
• 心室中vCM和FB的比例呈負(fù)相關(guān)或粮，而PC和SMC的比例呈正相關(guān)导饲，這意味著某種功能結(jié)構(gòu)。
• 女性左室和右室中vCM的百分比較高（56±9％）被啼，與vCM和FB之間的較強(qiáng)負(fù)相關(guān)性相關(guān)（r = -0.8;斜率= -0.9）與男性心臟相比（47±11％; p值= 0.03;vCM：FB帜消，r = -0.4； 斜率= -0.3）浓体。 鑒于女性平均心臟質(zhì)量較小泡挺，并且如果已確認(rèn)，CM比例的差異是出乎意料的可能解釋了女性心臟中風(fēng)量增加和較低的心血管疾病率命浴。

心肌異質(zhì)性

主要結(jié)果

1. 獲取了aCM(心房肌細(xì)胞）和vCM（心室肌細(xì)胞）的測(cè)序結(jié)果娄猫。
2. 發(fā)現(xiàn)aCM、vCM都可以被分成5個(gè)類群生闲，每個(gè)類群有不同的特點(diǎn)媳溺。

分析

1. 總體來(lái)看CM都高表達(dá)壓力抵抗以及肌節(jié)生成有關(guān)的基因(TTN, MYBPC3, TNNT2)以及鈣調(diào)控有關(guān)的基因(RYR2, PLN, SLC8A1)
   
   
   Extended Data Fig. 3a,b高糊圖像碍讯，但還是能辨別這些高表達(dá)的肌生成以及鈣調(diào)控有關(guān)的基因
   
   并且vCM\aCM有明顯的差別悬蔽，這與bulk RNA-seq的結(jié)果一致。
2. vCM與aCM的差別體現(xiàn)在：vCM多表達(dá)肌節(jié)相關(guān)蛋白 (MYH7,
   MYL2)捉兴、轉(zhuǎn)錄因子(IRX3, IRX5, IRX6, MASP1, HEY2)其他豐度較高的轉(zhuǎn)錄本在功能上整合組織使心室有較強(qiáng)的抗張能力（例如PCDH7編碼鈣粘粘蛋白蝎困，SMYD2賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶促進(jìn)肌節(jié)的形成和穩(wěn)定）。aCM則表達(dá)一些經(jīng)典蛋白倍啥，如ALDH1A2促進(jìn)視磺酸合成禾乘，ROR2參與Wnt信號(hào)通路在譜系分化中起作用，SYNRP作為壓力感受器在TRP機(jī)械門控通道中起作用虽缕。

3. vCM分為5群始藕。vCM1組成左心室心肌的63.9%，但在右心室僅36.7%氮趋。vCM2的構(gòu)成比與vCM1相反（左心室39.9%伍派，右心室9.1%），但是它們的表達(dá)譜差別很小剩胁，這顯示了左右心房相似的功能以及基因表達(dá)模式拙已。

   
   
   Figure 2a, b鑒定出5群心室肌細(xì)胞以及這些vCM細(xì)胞的分布
   
   

   但是vCM2高表達(dá)PRELID2我們目前還不知道它的功能。vCM2還高表達(dá)MYH16和CDH13(細(xì)胞表面的鈣粘蛋白受體）摧冀，能夠結(jié)合心臟保護(hù)脂聯(lián)素和低密度脂蛋白，
   與多種心臟代謝特征有關(guān)。
   

   vCM3和vCM4遍布整個(gè)心室索昂。vCM3類似RA population（表達(dá)視磺酸有關(guān)的基因MYH9, NEXN, CNN1)建车，vCM3還表達(dá)壓力感應(yīng)有關(guān)的基因ANKRD1, FHL1，DUSP2718, and XIRP1/XIRP2它們與心肌閏盤的離子通道作用參與心肌病以及心律不齊的調(diào)控椒惨。vCM4高表達(dá)核編碼的線粒體基因(NDUFB11, NDUFA4, COX7C, COX5B)缤至，GO分析顯示這些基因與高能態(tài)相關(guān)。
   Extended Data Figure 3f
   
   vCM4也有高水平的CRYAB表達(dá)康谆，這是一種保護(hù)細(xì)胞的抗氧化劑熱激蛋白能夠保護(hù)肌小節(jié)领斥。vCM4可能比其他vCM有更強(qiáng)的適應(yīng)能力以及工作負(fù)荷。
   vCM5 (~1%) 高表達(dá) DLC1 and EBF2沃暗，調(diào)節(jié)棕色脂肪細(xì)胞分化并且可能調(diào)節(jié)心臟起搏以及神經(jīng)元譜系的轉(zhuǎn)錄本(SOX5, EBF1,KCNAB1)表達(dá)月洛。 EBF1缺乏會(huì)產(chǎn)生發(fā)育不良的心室傳導(dǎo)系統(tǒng)，這說(shuō)明vCM5可能參與心臟的電生理過(guò)程孽锥。
4. aCM也分為5群嚼黔。
   
   Figure 2e, f
   
   ,調(diào)控離子穩(wěn)態(tài)，在左右心房肌細(xì)胞中分布不均50% of RA CM vs. 3% LA CM
   詳見(jiàn)下方眾多熒光圖這顯示了左右心房在活力狀態(tài)上的差異惜辑。的確切功能并不清楚唬涧，但是Hamp-null 小鼠會(huì)發(fā)生電子傳導(dǎo)鏈缺陷以及致死性心肌病。
   aCM1高表達(dá)經(jīng)典的心室肌細(xì)胞轉(zhuǎn)錄本盛撑，顯示了aCM的基本的基因表達(dá)模式碎节，低表達(dá)神經(jīng)元功能相關(guān)的基因。aCM2高表達(dá)RA信號(hào)通路相關(guān)的基因（）以及GRXCR2抵卫，支持纖毛參與的機(jī)械感應(yīng)狮荔。
   從心房心室的起源角度進(jìn)行分析，aCM3\vCM3表達(dá)譜相似都有SMC陌僵、CNN1的富集轴合。aCM2\aCM3\vCM3相似的分子特征暗示了它們從second heart field的共同起源。aCM4\vCM4都有很高的代謝活性碗短，NPPA表達(dá)量最高受葛。aCM5、vCM5相似偎谁。

下面的figure都是補(bǔ)充展示不同的vCM总滩、aCM的基因表達(dá)差異，此處不再一一解析巡雨。

Extended Data Figure3 c見(jiàn)PRELID2在vCM2高表達(dá)

Extended Data Figure3 e

Figure 2 cdgh闰渔，c為vCM2特征基因，dh在vCM3中表達(dá)

Extended Data Figure3 d

血管铐望，基質(zhì)和間皮細(xì)胞

1. 我們發(fā)現(xiàn)了17個(gè)在解剖學(xué)以及動(dòng)靜脈上具有差異的細(xì)胞類群冈涧。
   Figure 3a, b, Supplementary Table 8, 9
   內(nèi)皮細(xì)胞由10個(gè)類群標(biāo)志物為pan-EC markers PECAM1, CDH5 and VWF

• (Extended Data Figure 4a-c,g)

2. 三種毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞 EC (EC1-3_cap),表達(dá) RGCC and CA429, 占所有內(nèi)皮細(xì)胞的57.4% 茂附。 Capillary-like EC4_immune 表達(dá)抗原提呈和免疫應(yīng)答相關(guān)的 (CX3CL1, CCL2, IL6 and ICAM1)。
   動(dòng)脈EC5_art 高表達(dá) SEMA3G, EFNB2, DLL4, 但靜脈 EC6_ven 表達(dá)靜脈的標(biāo)志marker NR2F231 and ACKR132,通過(guò) smFISH驗(yàn)證

• (Figure 3c)
  動(dòng)脈EC7_atria主要表達(dá)SMOC1（一種血管再生調(diào)節(jié)因子）督弓、NPR3在鼠的心內(nèi)膜細(xì)胞中同樣表達(dá)营曼，這說(shuō)明EC7_atria可能是心內(nèi)膜細(xì)胞。淋巴內(nèi)皮 EC8_ln, 高表達(dá)PROX1,TBX1 and PDPN, 僅占所有內(nèi)皮細(xì)胞的~1% 愚隧。

心臟成纖維細(xì)胞

免疫細(xì)胞與心臟穩(wěn)態(tài)

傳導(dǎo)系統(tǒng)和神經(jīng)元細(xì)胞

脂肪細(xì)胞

COVID-19以及GWAS疾病相關(guān)

Experimental methods