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人肺内皮细胞综合单细胞图谱

2021-6-8| 编辑: 归去来兮| 查看: 216| 评论: 0|来源: 新格元

摘要: 研 究 背 景循环系统最重要的功能是为全身各组织持续提供含氧血液。肺是一个独特的由两个循环组成的高度血管化的器官。这些循环的不同生理功能,以及它们各自存在的不同细胞龛强调了内皮细胞(ECs)在肺中所起的不同而 ...


研 究 背 景

循环系统最重要的功能是为全身各组织持续提供含氧血液。肺是一个独特的由两个循环组成的高度血管化的器官。这些循环的不同生理功能,以及它们各自存在的不同细胞龛强调了内皮细胞(ECs)在肺中所起的不同而独特的作用,并且与许多临床疾病相关,如急性呼吸窘迫综合征(ARDS)、慢性阻塞性肺疾病(COPD)、肺纤维化等。然而关于健康人类肺ECs的详细参考图谱仍然缺失。


方 法 流 程


研 究 结 果

完整的人肺单细胞图谱

收集再处理了5个公开的单细胞测序数据集,共68例样本,其中4例样本来自气道活检,其他所有样本来自远端,分析后共获得278648个细胞,包括12563个血管和淋巴管ECs。鉴定了37种细胞类型,与已建立的细胞类型典型标记基因表达特征一致。

基于典型的内皮标记物PECAM1(CD31),CDH5(VE-cadherin),CLDN5和ERG确定了12,563个EC。鉴定了147个泛内皮标记基因。肺ECs在UMAP空间中分为两个群:血管内皮细胞和淋巴内皮细胞。淋巴内皮细胞表达类似趋化因子CCL21的分泌蛋白等。血管内皮细胞表达泛血管标记物,包括ENG、PCDH17、BMPR2、FLT1、SLCO2A1、SLCO4A1、AQP1等。


动脉、静脉和毛细血管内皮细胞的鉴定

为了关注血管EC,纳入了第六个包含7名受试者样本的scRNAseq数据集,生成了一个非淋巴EC数据集。共15,142个血管ECs。根据典型标记基因的表达,鉴定出三种广泛的血管ECs亚型:动脉EC(EFNB2, SOX17, BMX,SEMA3G, HEY1, LTBP4, FBLN5, GJA5和GJA4)、毛细血管EC(CA4,PRX,RGCC,SPARC和SGK1)和静脉EC(NR2F2,VCAM1,ACKR1和SELP)。毛细管ECs进一步分为aerocyte和普通毛细血管ECs。静脉ECs进一步分为肺静脉ECs和全身静脉ECs。

除了典型的标记外,还基于其各自细胞角色相关的独特基因特征对血管内皮细胞亚群进行了表征。脉动脉和小动脉衬里的动脉EC表达编码紧密和间隙连接蛋白的基因(CLDN10,GJA5,GJA4,FBLIM1),细胞壁基质蛋白(例如FBLN5,FBLN2),蛋白酶抑制剂(SERPINE2和CPAMD8)和信号分子(例如CXCL12,EFBN2)等。毛细血管ECs表达CA4,CYB5A等气体交换相关酶的编码基因。静脉ECs表达编码白细胞透析相关蛋白的基因,如VCAM1、SELP、SELE等。


scRNA-seq表征以前难以区分的两种毛细血管ECs特性

Aerocytes可以通过编码内皮素受体EDNRB、转录因子TBX2、FOXP2、模式识别受体CLEC4E、SPON2和信号调节因子PRKG、CHRM2、S100A4、EDA等基因的表达来区分。Aerocytes是唯一表达降解前列腺素的HPGD的EC型。与其他EC相比,Aerocytes不表达内皮特异性Weibel-Palade小体(VWF, SELP, EDN)、止血和白细胞外渗所必需的储存颗粒的主要成分。此外,Aerocytes的特征在于不表达在其他所有EC中表达的基因,包括THBD、CD93、PTPRB、ANO2、CRIM1、MECOM、LIFR、PALMD、GNA14、CYYR1和LEPR。

普通毛细血管EC是最普通的血管细胞类型,与动脉或静脉EC或Aerocytes相比,仅特异表达140个基因。然而,普通毛细血管EC可以通过与LDL或其他脂质(如GPIHBP116和CD3633)、先天免疫反应(包括FCN3、BTNL9、BTNL8、CD14)和细胞因子受体(如IL7R、IL18R1)的转胞吞作用相关基因的表达来识别。并用IF显微镜和原位杂交技术对这两种细胞进行了定位。


内皮细胞亚群与其他肺细胞群的相互作用

NicheNet分析显示,动脉EC是最活跃的亚群,表达Notch配体(DLL4, JAG1和JAG2),可以被周细胞和平滑肌细胞(SMCs)中的NOTCH3感知,以支持周细胞和SMC的增殖和分化。动脉ECs、小部分静脉ECs和普通毛细血管ECs表达EDN1,并被周细胞、SMC和肺泡成纤维细胞感知。动脉内皮细胞还分泌CXCL12促进大多数淋巴样和树突状细胞的归巢、迁移和存活。


在人类中发现的新EC群也存在于小鼠中

将人类工作流程应用于小鼠肺scRNAseq数据,以生成一个完整的小鼠肺细胞数据集,鉴定出21831个ECs,揭示了在人类中发现的相同EC亚群。根据标记基因 Col15a1 和 Vwa1鉴定了先前未描述的在小鼠中非常罕见的全身静脉EC类型,仅占所有ECs的0.5%。与人类一样,小鼠全身静脉 EC 表达转录因子Ebf1、Ebf3、Meox2和Tshz2等。然而,系统静脉EC的某些人类标记基因的同源物对鼠系统静脉没有特异性或者在小鼠中不存在同系物。

最后,检查了用于区分肺EC亚群的保守标记基因。动脉EC在这两个物种之间共享一组独特的基因,包括连接蛋白GJA4/Gja4和GJA5/Gja5,分泌的细胞因子CXCL12/Cxcl12和EFNB2/ Efnb2,Wnt调节剂DKK2/Dkk2和Notch配体DLL4/Dll4。Aerocytes的特征在于EDNRB/Ednrb、KDR/Kdr、TBX2/Tbx2 和 TBX3/Tbx3 等的保守表达。肺静脉EC显示转录因子 NR2F2/Nr2f2、受体 IL1R1/Il1r1 和 ACKR3/Ackr3、羧肽酶 CPE/Cpe 和 PRCP/Prcp 以及标记基因 HDAC9/Hdac9、PTGS1/Ptgs1 、 SELP/Selp 和RGS5/Rgs5 的保守表达。在普通毛细血管ECs中观察到重叠最少的标记基因,包括 GPIHBP1/Gpihbp1、EPAS1/Epas1、ZNF608/Zfp608、ADGRE5/Adgre5 和 NTRK2/Ntrk2。


结 论

1.鉴定了来自73个个体的15000多个血管内皮细胞。除了淋巴,毛细血管,动脉和静脉EC细胞类型外,还发现了以前无法区分的亚群:肺静脉EC,定位于肺实质。全身静脉EC,定位于气道和内脏胸膜

2、细胞间通讯分析揭示了EC与其他肺部驻留细胞类型的重要稳态平衡串扰

3、在小鼠中确认了6种EC类型,并确定了人类和小鼠中保守的内皮标记基因。



参 考 文 献

Schupp JC, Adams TS, Cosme C Jr, Raredon MSB, Yuan Y, Omote N, Poli S, Chioccioli M, Rose KA, Manning EP, Sauler M, DeIuliis G, Ahangari F, Neumark N, Habermann AC, Gutierrez AJ, Bui LT, Lafyatis R, Pierce RW, Meyer KB, Nawijn MC, Teichmann SA, Banovich NE, Kropski JA, Niklason LE, Pe'er D, Yan X, Homer RJ, Rosas IO, Kaminski N. Integrated Single Cell Atlas of Endothelial Cells of the Human Lung. Circulation. 2021 May 25. doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.120.052318.Epub ahead of print. PMID: 34030460.


 

本文编辑:乐乐高

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