今天跟大家分享的是2019年5月發(fā)表在Sci.Adv.（IF：12.804）雜志上的一篇文章Characterizing smoking-induced transcriptional heterogeneity in the human bronchial epithelium at single-cell resolution.在文章中作者使用scRNA-Seq分析了6名從未吸煙者和6名吸煙者的支氣管上皮細(xì)胞棒坏。發(fā)現(xiàn)了吸煙引起的支氣管上皮轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性的特征艰管。

Characterizing smoking-induced?transcriptional heterogeneity in the human bronchial epithelium at single-cell resolution描述單細(xì)胞分辨率下吸煙引起的人支氣管上皮轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性的特征

一.研究背景

人支氣管上皮由多種不同的細(xì)胞類(lèi)型組成，這些細(xì)胞類(lèi)型共同防御環(huán)境侵害沪袭。盡管研究表明吸煙會(huì)改變支氣管上皮的功能和形態(tài)，但對(duì)特定細(xì)胞類(lèi)型和整體組織組成的確切影響尚不清楚虐唠。

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二.分析流程

三.結(jié)果解讀

1.scRNA-Seq鑒定吸煙者和從未吸煙者的呼吸道支氣管亞群

圖1A：從6名不吸煙者和6名吸煙者的右主支氣管中采集支氣管刷片蓝晒。然后分離支氣管組織，通過(guò)流式細(xì)胞熒光分選技術(shù)（FACS）分離單細(xì)胞刽虹，并制備scRNA文庫(kù)進(jìn)行測(cè)序酗捌。

圖1B：用t- SNE來(lái)分析細(xì)胞之間的轉(zhuǎn)錄組關(guān)系。

然后對(duì)每個(gè)細(xì)胞的供體吸煙狀態(tài)（NS涌哲，從不吸煙胖缤；CS，吸煙者）以及支氣管所有細(xì)胞類(lèi)型marker gene的表達(dá)作了可視化（KRT5阀圾，基底細(xì)胞哪廓；FOXJ1 ，纖毛初烘；SCGB1A1涡真，棒狀細(xì)胞分俯；MUC5AC，杯狀細(xì)胞哆料；CD45缸剪，白細(xì)胞）。

圖1C：使用監(jiān)督分析方法LDA來(lái)識(shí)別不同的細(xì)胞簇和共表達(dá)的基因集东亦。

圖1.不吸煙者和吸煙者的支氣管細(xì)胞的scRNA-Seq

圖2A：LDA將數(shù)據(jù)集分為13個(gè)不同的細(xì)胞簇和19組共表達(dá)的基因杏节。

圖2B：展示了每組基因在每個(gè)細(xì)胞簇的表達(dá)情況。

圖2C：總結(jié)了支氣管五類(lèi)細(xì)胞的marker基因的表達(dá)情況典阵。

簇2和簇4中KRT5高表達(dá)奋渔，簇5和簇11中FOXJ1高表達(dá)，簇1和簇8中SCGB1A1高表達(dá)壮啊，而簇3中MUC5AC高表達(dá)嫉鲸。

圖2D：計(jì)算每個(gè)簇占總細(xì)胞的百分比以及其中來(lái)自從不吸煙者和吸煙者細(xì)胞的比例。并計(jì)算每個(gè)簇的富集度（藍(lán)色）歹啼。

在杯狀細(xì)胞簇3玄渗、9、12中觀察到吸煙者細(xì)胞的富集染突；

而在棒狀細(xì)胞簇1捻爷、基底細(xì)胞簇4中觀察到從未吸煙者細(xì)胞的富集。

圖2.支氣管簇轉(zhuǎn)錄組份企、細(xì)胞類(lèi)型和吸煙狀態(tài)的特征

2.纖毛細(xì)胞亞群和吸煙誘導(dǎo)的解毒作用

作者對(duì)纖毛細(xì)胞簇（C-5也榄，C-11）作分析。

圖3A：通過(guò)熱圖可視化C-5和C-11中基因集GS-2司志，GS-3和GS-7的表達(dá)情況甜紫。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，C-5和C-11可能代表FOXJ1+纖毛細(xì)胞功能不同的亞群骂远。

圖3B：將C-5分為不吸煙者和吸煙者子集囚霸，并且通過(guò)熱圖可視化其中GS-8基因的表達(dá)。

發(fā)現(xiàn)當(dāng)前吸煙者的纖毛細(xì)胞表達(dá)了獨(dú)特的轉(zhuǎn)錄特征激才。具體為：表達(dá)了編碼與醛和酮代謝有關(guān)的酶的基因拓型，如AKR1B10。

圖3C：作者用UMCG隊(duì)列來(lái)驗(yàn)證上述發(fā)現(xiàn)瘸恼。對(duì)醛酮還原酶AKR1B10進(jìn)行了免疫染色劣挫。

AKR1B10在吸煙者的呼吸道中顯著高表達(dá)。

圖3D：吸煙者AKR1B10 +纖毛細(xì)胞的數(shù)量顯著高于從不吸煙者东帅。

結(jié)果表明压固，吸煙可能會(huì)誘導(dǎo)纖毛細(xì)胞表達(dá)特定的解毒基因AKR1B10等。

圖3.在纖毛細(xì)胞中觀察到吸煙誘導(dǎo)AKR1B10基因高表達(dá)

3.吸煙者呼吸道中出現(xiàn)棒狀細(xì)胞數(shù)量減少和杯狀細(xì)胞數(shù)量增加

作者接著對(duì)棒狀細(xì)胞簇（C-1靠闭，C-8）和杯狀細(xì)胞簇（C-3）作分析帐我。

圖4A：通過(guò)熱圖可視化C-1,8和C-3中基因集GS-19坎炼、GS-17、GS-13和GS-1的表達(dá)情況拦键。

最大的SCGB1A1 +細(xì)胞簇C-1絕大部分是來(lái)源于從不吸煙者的細(xì)胞谣光。表明吸煙者的呼吸道中棒狀細(xì)胞的這一亞群急劇減少。

圖4B：作者同樣采用UMCG隊(duì)列對(duì)棒狀細(xì)胞（marker：MUC5B矿咕，綠色）抢肛、杯狀細(xì)胞（marker：MUC5AC，藍(lán)色）進(jìn)行免疫染色碳柱。（MN為形態(tài)正常的組織區(qū)域；GCH為明顯杯狀細(xì)胞增生的組織區(qū)域）

發(fā)現(xiàn)吸煙者的杯狀細(xì)胞（藍(lán)色）數(shù)量顯著增加熬芜。

圖4C-F：定量分析進(jìn)一步說(shuō)明吸煙可能導(dǎo)致棒狀細(xì)胞數(shù)量減少而杯狀細(xì)胞數(shù)量增加莲镣。

圖4.吸煙與支氣管上皮中杯狀細(xì)胞數(shù)量增加而棒狀細(xì)胞數(shù)量減少有關(guān)

4.在吸煙者的呼吸道中觀察到先前未鑒定的PG細(xì)胞亞群

圖5A：通過(guò)熱圖可視化C-9和C-3中基因集GS-12、GS-16涎拉、GS-15的表達(dá)情況瑞侮。

CEACAM5、KRT8鼓拧、MUC5AC等基因顯著表達(dá)半火。

圖5B，C：用t -SNE可視化C-3和C-9細(xì)胞以及所有細(xì)胞中的CEACAM5的表達(dá)情況季俩。

圖5D：接著作免疫染色钮糖。

吸煙者GCH組織區(qū)域內(nèi)，CEACAM5 + KRT8 + MUC5AC -細(xì)胞靠近杯狀細(xì)胞酌住。所以作者將其命名為PG細(xì)胞（peri-goblet cells）店归。PG細(xì)胞可能是與吸煙引起的GCH相關(guān)的先前未知的支氣管上皮細(xì)胞亞群。

圖5.在吸煙者的呼吸道中觀察到先前未鑒定的PG細(xì)胞亞群

小結(jié)

??????作者使用scRNA-Seq來(lái)分析健康的不吸煙者和吸煙者的單個(gè)支氣管細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組酪我。然后使用監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)算法識(shí)別了支氣管亞群消痛，并從不吸煙者和吸煙者的獨(dú)立隊(duì)列中對(duì)支氣管組織進(jìn)行了免疫染色，來(lái)驗(yàn)證吸煙誘導(dǎo)的支氣管轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性特征：在吸煙者的呼吸道中都哭，發(fā)現(xiàn)了特定于纖毛細(xì)胞的解毒代謝酶基因的表達(dá)秩伞；棒狀細(xì)胞的減少而杯狀細(xì)胞的增加；以及先前未發(fā)現(xiàn)的上皮亞群（PC細(xì)胞）的出現(xiàn)欺矫。

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