英文題目：Spatial multi-omic map of human myocardial infarction
發(fā)表時間：2020年12月
單細(xì)胞測序技術(shù)分辨率和檢測通量的大幅度提高击敌，使得研究者能夠在單細(xì)胞分辨率上得到細(xì)胞之間的異質(zhì)性，而空間轉(zhuǎn)錄組則為研究者提供了組織中細(xì)胞所處的空間信息，及組織中不同區(qū)域的細(xì)胞構(gòu)成和基因表達(dá)狀態(tài)蜕乡，但由于最新的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)還達(dá)不到單細(xì)胞的分辨率，因此目前比較常見的是空間轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合單細(xì)胞測序技術(shù)一起應(yīng)用仆救。 冠狀動脈心臟病導(dǎo)致的急性心肌梗死(MI)是心血管疾病死亡的最大原因姥宝，也是全球所有死亡的主要原因。MI的急性治療取得了巨大進(jìn)展窒盐，主要集中在經(jīng)皮冠狀動脈介入治療，從而降低了急性死亡率钢拧。然而蟹漓，心肌梗死后左心室重塑引起的發(fā)病率和死亡率仍然高得不能接受。心肌梗死后的心臟重塑包括免疫細(xì)胞招募和梗死區(qū)域的劃分源内，隨后是組織消化葡粒、吞噬、肌成纖維細(xì)胞活化膜钓、疤痕形成和新生血管形成嗽交。理解從急性缺血事件到慢性心臟瘢痕形成的心臟重構(gòu)過程的確切細(xì)胞和分子機(jī)制將是開發(fā)新的治療方法的關(guān)鍵。 在這項研究中颂斜，作者使用了單細(xì)胞基因表達(dá)和染色質(zhì)可及性技術(shù)的結(jié)合夫壁，以及空間分辨轉(zhuǎn)錄組學(xué)來研究基因調(diào)控的細(xì)胞類型特異性變化，提供了心肌梗死后心臟重構(gòu)的整合圖沃疮。這揭示了在健康和疾病中控制特定心臟細(xì)胞類型的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)盒让。作者將這些信息投射到特定的組織位置，從而使作者能夠在空間上繪制控制基因調(diào)控的假定增強(qiáng)子司蔬，例如心肌邊界區(qū)邑茄。這反過來又使作者能夠獲得新的見解，了解在心臟瘢痕形成過程中驅(qū)動成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞分化的基因調(diào)控程序俊啼。實驗結(jié)果提供了一個全面的空間解決表征基因調(diào)控的人心臟在穩(wěn)態(tài)和心肌梗死后撩扒，并****鑒定和驗證了驅(qū)動心臟纖維化的成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞分化的機(jī)制。本文的研究提供了一個完整的人心肌梗死的分子圖譜吨些，并為心臟疾病的機(jī)制和治療研究的進(jìn)展提供了參考搓谆。
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研究結(jié)論
本文研究提供了關(guān)于心臟細(xì)胞類型及其對人類心臟缺血損傷的反應(yīng)的詳細(xì)見解。作者觀察到在局部細(xì)胞因子表達(dá)的指導(dǎo)下豪墅，局部免疫細(xì)胞群的流入可以早期劃分梗死區(qū)域泉手。在受傷心肌周圍的邊界區(qū)，受傷和未受傷的細(xì)胞類型之間確實有明顯的界限偶器。不同位置的心肌細(xì)胞邊界顯示出不同的基因表達(dá)模式和基因調(diào)控譜斩萌，包括增強(qiáng)子可及性缝裤。心肌梗死后的晚期重塑是由成纖維細(xì)胞纖維化驅(qū)動的，在明顯的疤痕中颊郎，疤痕周圍有新血管生成的區(qū)域憋飞。本實驗的數(shù)據(jù)為MI后人類心臟肌成纖維細(xì)胞分化提供了新的見解，獨特的基因表達(dá)和基因調(diào)控程序驅(qū)動這一過程姆吭，包括RUNX1作為TGFβ信號的放大器榛做。提供了一種新的策略將單細(xì)胞技術(shù)和空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)結(jié)合開展時空多維解決生物問題，為腫瘤疾病的預(yù)防治療和機(jī)制探討提供了技術(shù)平臺内狸。
實驗材料
材料：4例心肌梗死患者检眯、1例健康供者，8例左心室組織標(biāo)本昆淡；非移植供體心臟(對照锰瘸，C)與急性心肌梗死患者的壞死中心(缺血區(qū)，IZ)昂灵、邊界區(qū)(BZ)和未受影響的左心室心肌(遠(yuǎn)端區(qū)避凝，RZ)作為對照，2例心肌梗死(心肌纖維化區(qū)FZ)后晚期(3個月和12年)的人心臟眨补；獲得每個心臟標(biāo)本10 m的冷凍切片管削，并從緊鄰冷凍切片的其余標(biāo)本中分離細(xì)胞核，隨后使用熒光活化核分選(FANS)進(jìn)行snRNA-和snATAC-seq
方法：10x 單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測序渤涌；單細(xì)胞ATAC-seq佩谣；10x visium 空間轉(zhuǎn)錄組等
文章亮點
1. ScRNA-seq揭示了人類心臟細(xì)胞異質(zhì)性;
2. 空間轉(zhuǎn)錄組探討心肌梗死過程揭示心肌重構(gòu)過程;3. 染色質(zhì)開放性和基因表達(dá)調(diào)控關(guān)系;4. snRNA-seq+scATAC-seq+空間轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合鎖定心臟肌纖維細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)因子RUNX1
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研究結(jié)果
1. 單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和染色質(zhì)景觀揭示了人類心臟細(xì)胞類型的異質(zhì)性研究人員使用單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組技術(shù)(snRNA-seq)通過降維聚類識別了24個簇細(xì)胞群把还，構(gòu)建一個整體的腫瘤生態(tài)位圖譜实蓬。
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圖1. 單細(xì)胞核+單細(xì)胞ATAC+空間轉(zhuǎn)錄組多組學(xué)圖譜snRNA-seq共獲得40530個核轉(zhuǎn)錄組，平均每個核1335個基因吊履；scATAC-seq共檢測到18213個核的開放染色質(zhì)安皱，平均每個核24333個片段(n=7)；空間轉(zhuǎn)錄組平均每個樣本包含3874.5個spot艇炎，每個spot包含1813個基因酌伊。進(jìn)一步對scRNA-Seq進(jìn)行細(xì)胞類型注釋共鑒定到10種主要的細(xì)胞類型和幾個亞群(總共n=24個簇)，而scATAC-seq能夠鑒定到在snRNA-seq數(shù)據(jù)中確定的10種主要細(xì)胞類型中的8種細(xì)胞類群缀踪【幼空間樣本的差異分析及富集分析能清晰地反映心肌梗死后生物過程的已知區(qū)域。雖然大多數(shù)標(biāo)本中存在主要的細(xì)胞類型驴娃，但不同的細(xì)胞類型僅在單個標(biāo)本中被識別奏候，可能反映了損傷或修復(fù)過程中不同的細(xì)胞狀態(tài)。 在急性心肌梗死缺血區(qū)唇敞，觀察到與先天免疫系統(tǒng)蔗草、中性粒細(xì)胞脫顆粒和程序性細(xì)胞死亡以及纖維化和肌肉收縮過程的消耗相關(guān)的空間可變基因表達(dá)的富集(圖1h)咒彤。同樣，慢性重塑心臟(心肌梗死后的晚期)顯示了與細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)蛋白多糖咒精、糖蛋白和其他基質(zhì)體成分相關(guān)的空間可變基因的富集镶柱，與這些標(biāo)本中捕獲的預(yù)期纖維化過程一致。邊界區(qū)標(biāo)本顯示了豐富的與線粒體復(fù)合物I生物發(fā)生和丙酮酸代謝/檸檬酸TCA循環(huán)相關(guān)的基因模叙，這兩者都證實了該區(qū)域?qū)p傷的反應(yīng)和潛在的氧化還原狀態(tài)和代謝的改變歇拆。在對照組和遠(yuǎn)端區(qū)標(biāo)本中，與肌肉收縮相關(guān)的空間可變基因的富集向楼，這與這些樣本中健康心肌細(xì)胞的過度表達(dá)有關(guān)查吊。總的來說湖蜕，這一分析證實了空間數(shù)據(jù)清楚地反映了心肌梗死后已知的生物過程區(qū)域逻卖。
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2. 健康人心臟的多組學(xué)綜合分析
首先將對照人類心臟樣本的整合數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)集進(jìn)行深度表征，從snRNA-seq (n = 8,335)和snATAC-seq (n = 3,849)中分別鑒定出12種細(xì)胞類型(圖2a-b)昭抒。通過對snATAC-seq數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)錄因子足跡分析评也，揭示了已知細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子(TF)的結(jié)合活性，如心肌細(xì)胞中的MEF2C灭返、巨噬細(xì)胞中的ETV6和內(nèi)皮細(xì)胞中的SOX8(圖2c)盗迟。這些TFs的活性通過靶基因的細(xì)胞型特異性表達(dá)得到進(jìn)一步證實(圖2d)。將同一左心室心臟組織的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)聚類熙含，得到11個分子差異的聚類(圖2e)罚缕。差異基因表達(dá)分析顯示心肌細(xì)胞是個體空間集群的主要轉(zhuǎn)錄組貢獻(xiàn)者(圖2e)。值得注意的是怎静，標(biāo)記基因允許在不同區(qū)域識別常見的細(xì)胞類型邮弹，如心肌細(xì)胞，但也可以識別罕見的心肌細(xì)胞群蚓聘，如血管平滑肌細(xì)胞(在snRNA-seq數(shù)據(jù)中占1%的細(xì)胞)腌乡。有趣的是，肥大細(xì)胞(CPA3+)在一個獨特的空間聚類中被識別出來(聚類9夜牡，圖2e)与纽，而它們在snRNA-或snATAC-seq數(shù)據(jù)集中均未被檢測到(圖2a-b)。在snRNA-seq和空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中比較頂部差異表達(dá)的基因證實了空間注釋圖塘装。
接下來急迂，建立了兩個成纖維細(xì)胞亞簇成纖維細(xì)胞1+2的空間分辨表達(dá)模型(圖2h)，并鑒定了幾種可以解釋成纖維細(xì)胞2位置的細(xì)胞因子蹦肴。有趣的是僚碎，該模型顯示，與巨噬細(xì)胞亞型2相關(guān)的IL13RA1的局部表達(dá)預(yù)測成纖維細(xì)胞2標(biāo)記物FBN1的表達(dá)冗尤，提示在心臟穩(wěn)態(tài)中听盖，成纖維細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的特定亞群之間可能存在信號傳導(dǎo)(圖2h,)胀溺。
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3. 不同的基因表達(dá)調(diào)控來區(qū)分缺血區(qū)
研究者在急性人類心肌梗死組織缺血區(qū)標(biāo)本的snRNA-seq和snATAC-seq數(shù)據(jù)中鑒定到4種不同的細(xì)胞類群。研究者在空間標(biāo)本中心確定了一個核心缺血區(qū)（cluster 3）皆看，對該區(qū)域及周邊的基因表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)其表達(dá)特征與病理分區(qū)一致仓坞。
為了探索與空間區(qū)域相關(guān)的TF，利用細(xì)胞類型評分將TF結(jié)合活性從snATAC- seq數(shù)據(jù)映射到空間腰吟。觀察到局部增加的NRF-1結(jié)合活性在該區(qū)域也顯示了高缺氧信號(圖3d)和膠原表達(dá)(圖3b)无埃。進(jìn)一步證實了空間TF結(jié)合活性與特定NRF- 1靶基因的表達(dá)相對應(yīng)。NRF-1調(diào)節(jié)編碼呼吸鏈亞基的基因和參與線粒體功能的其他基因的表達(dá)毛雇，與細(xì)胞對缺氧的反應(yīng)一致
第二個急性心肌梗死標(biāo)本缺血區(qū)的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)顯示出相似的界限嫉称。與同一心臟標(biāo)本的偏遠(yuǎn)區(qū)域相比，這些區(qū)域的預(yù)測特征保持不變灵疮。在缺血區(qū)觀察到新血管生成的早期跡象(簇2)织阅，EGFL7和SOX4表達(dá)，以及一個空間心肌細(xì)胞簇顯示內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激標(biāo)記基因表達(dá)24震捣，如HERPUD1(簇4)荔棉。總之蒿赢，snATAC-seq與空間轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析數(shù)據(jù)表明润樱，在缺血相關(guān)細(xì)胞死亡的響應(yīng)中有不同的空間基因調(diào)控，基因調(diào)控驅(qū)動急性心臟損傷反應(yīng)羡棵。
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4. 邊緣區(qū)心肌細(xì)胞亞群的空間分布特征心肌梗死的邊緣區(qū)特別值得關(guān)注壹若，因為該區(qū)域的空間重構(gòu)與心功能的恢復(fù)密不可分，研究者在樣本中心確定了一個特定的空間過渡區(qū)(聚類1)皂冰。該區(qū)域?qū)颖咀笊辖呛陀蚁陆堑牟煌虮磉_(dá)區(qū)分開(圖4a)店展。從snRNA-seq (n = 6,081)中鑒定出13種細(xì)胞類型，從snATAC-seq (n = 3,101)中鑒定出8種細(xì)胞類型(圖4b-c)灼擂，兩個數(shù)據(jù)集都識別了兩個不同的心肌細(xì)胞群(心肌細(xì)胞1和心肌細(xì)胞2)(圖4b-c)壁查。心肌細(xì)胞1僅位于過渡區(qū)(損傷區(qū))下方觉至，而心肌細(xì)胞2主要位于過渡區(qū)上方(圖4d)剔应。scRNA-seq數(shù)據(jù)的差異基因表達(dá)分析顯示心肌細(xì)胞中NPPB、ANKRD1和MYO18B顯著上調(diào)1(圖4d)语御。據(jù)報道峻贮，MI后NPPB和ANKRD1均在邊界區(qū)上調(diào)∮Υ常空間基因表達(dá)數(shù)據(jù)的通路分析表明纤控，損傷區(qū)(右下)TGFβ活性增加，而缺氧活性的均勻分布碉纺〈颍總之刻撒，分析表明，心肌細(xì)胞亞群在損傷耿导、炎癥和重塑的不同區(qū)域的邊界區(qū)有空間上不同的基因表達(dá)和調(diào)控声怔。
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5. 心肌梗死后的重構(gòu)
心肌梗死后瘢痕形成對心臟組織完整性很重要，因為瘢痕形成失敗會導(dǎo)致心室破裂和死亡舱呻〈谆穑空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的聚類顯示，這兩個疤痕具有明顯的聚類(聚類2和聚類9)箱吕，并被反映新血管生成的更大面積的內(nèi)皮細(xì)胞隔開(圖5a)芥驳。從snRNA-seq (n = 2,869)和scATAC-seq (n = 1,605)中鑒定出不同的成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞亞群，這些亞群在兩個瘢痕上顯示出有趣的空間分布(圖5b-c)茬高。
空間特征的差異分析顯示兆旬，JAK-STAT和TGFβ活性增加，這兩種都是纖維化重塑的重要途徑怎栽。在成纖維細(xì)胞3富集的區(qū)域(空間簇2)爵憎。富含成纖維細(xì)胞5的區(qū)域也包含損傷的內(nèi)皮細(xì)胞和增加的缺氧途徑活性(圖5d)。作者觀察到TGFβ3婚瓜、PDGFRa和PDGFA的局部表達(dá)是成纖維細(xì)胞3存在的高度重要的預(yù)測因子宝鼓，成纖維細(xì)胞3在瘢痕中心區(qū)域豐富(圖5e-f)。SERPINE1 (PAI-1)與組織中的活性瘢痕相關(guān)33巴刻，在簇9中顯示出高度重要性愚铡，并與較高的缺氧和VEGF-A信號有關(guān)(圖5e-f)。相比之下胡陪，中央瘢痕區(qū)(空間簇9)也與更高的NRF-1和TF - FOS結(jié)合活性相關(guān)(圖5h)沥寥。作者使用平行的snATAC- seq數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗證了這一點，該數(shù)據(jù)顯示TGFβ通路下游SMAD2/3具有更高的結(jié)合活性(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖12h)柠座∫匮牛總之，這些數(shù)據(jù)表明了兩個瘢痕區(qū)域之間的時間差異妈经，其中一個是較年輕的瘢痕(右上)淮野，具有強(qiáng)缺氧信號和明顯的成纖維細(xì)胞亞群，另一個是較老的慢性大瘢痕吹泡，涉及FOS, SMAD2/3骤星，NRF1和RUNX1的高基質(zhì)產(chǎn)生。
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6. 軌跡分析顯示RUNX1是人心臟肌成纖維細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)因子
為了解剖肌成纖維細(xì)胞分化的機(jī)制爆哑，從整合的snRNA-seq數(shù)據(jù)集中重新聚集了所有成纖維細(xì)胞洞难，并鑒定出9個亞簇(圖6a)，表明心臟間質(zhì)存在未被重視的異質(zhì)性揭朝。擬時序分析顯示队贱，完整的成纖維細(xì)胞分化梯度起源于簇3色冀，終止于簇1(圖6a，)柱嫌。發(fā)現(xiàn)SCARA5作為人類腎臟成纖維細(xì)胞的標(biāo)記物呐伞，擬時序分析推測SCARA5+細(xì)胞向POSTN+細(xì)胞分化，對擬時序軌跡基因慎式、通路和Go-Term(基因本體)進(jìn)行了分類伶氢，證明了整合素信號和ECM通路的晚期富集與成纖維細(xì)胞到肌成纖維細(xì)胞的分化是一致的。并證明SCARA5 +成纖維細(xì)胞是腎臟肌成纖維細(xì)胞的一個來源瘪吏。因此癣防，在擬時序分析中使用SCARA5表達(dá)量最高的細(xì)胞(簇3)作為根細(xì)胞。骨膜素(POSTN)是肌成纖維細(xì)胞分化的標(biāo)志掌眠，在人和小鼠之間似乎是保守的蕾盯，并在腎臟纖維化中發(fā)揮作用。數(shù)據(jù)表明RUNX1是肌成纖維細(xì)胞分化的重要驅(qū)動因子蓝丙，并且通過放大TGFβ信號發(fā)揮作用级遭。結(jié)合已知的RUNX1在心肌細(xì)胞中的作用，該轉(zhuǎn)鐵蛋白可能成為治療心肌梗死后心臟重塑的一個非常有前景的靶點渺尘。
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總結(jié)
在多細(xì)胞器官中挫鸽，如人類心臟，細(xì)胞的功能依賴于相鄰的單個細(xì)胞類型之間相互作用的平衡鸥跟，這導(dǎo)致了組織穩(wěn)態(tài)丢郊。單細(xì)胞技術(shù)可以描繪不同細(xì)胞類型的分子異質(zhì)性及其在疾病期間的變化。然而医咨，如果沒有空間背景枫匾，就不清楚這些不同的細(xì)胞類型如何協(xié)調(diào)組織功能。在這里拟淮，整合了空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)干茉、單細(xì)胞基因表達(dá)和染色質(zhì)可及性數(shù)據(jù)，提供了心肌梗死早期和晚期與對照心臟(非移植供體心臟)相比的全面資源圖很泊。利用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)角虫，可以研究細(xì)胞系和功能之間的聯(lián)系，這是單細(xì)胞技術(shù)無法實現(xiàn)的撑蚌。利用空間住轉(zhuǎn)錄組和單細(xì)胞聯(lián)合的策略提高細(xì)胞類型組成的空間分辨率上遥，并通過識別損傷搏屑、修復(fù)和重塑的不同細(xì)胞區(qū)域争涌，提供對心臟轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組的空間分辨率洞察力。鑒定并驗證了成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞分化從而驅(qū)動心臟纖維化的機(jī)制辣恋。提供了一個完整的人類心肌梗死分子圖譜亮垫，為進(jìn)一步研究心臟病的機(jī)制和治療提供了參考模软。
多多學(xué)習(xí)
