xiaokeshengming的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/xiaokeshengming

博文

《自然—遗传学》:曹俊越团队开发出高通量低成本的单细胞组学新方法

已有 1352 次阅读 2023-12-1 09:11 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

人体由复杂多样的细胞类型组成,细胞群体的稳态维持 (cell population homeostasis) 对其正常运转至关重要,而细胞群体组成的失调与衰老、神经退行疾病病中的功能下降密切相关。


北京时间2023年12月1日,美国洛克菲勒大学曹俊越课题组Nature genetics在线发表文章“A global view of aging and Alzheimer’s pathogenesis-associated cell population dynamics and molecular signatures in human and mouse brains”。


第一作者为洛克菲勒大学博士生卢梓育、博士生Andras Sziraki和科研助理Jasper Lee

7.png

他们基于并优化了单细胞组合标记测序技术(single-cell combinatorial indexing),开发了一项高通量、低成本的单细胞组学新方法EasySci,并用其探索哺乳动物脑内衰老相关的细胞动态。通过对小鼠全脑进行约150万个单细胞转录组和40万个单细胞染色质可及性的剖析,作者鉴定了超过300个细胞亚型,揭示了它们的分子特征和空间位置,阐述了随年龄增长而改变或在阿尔茨海默病(Alzheimer's disease, ‘AD’)模型中变化的罕见细胞类型。

此外,通过对11.8万个人类大脑单细胞转录组的剖析,作者研究了与AD相关的细胞和脑区特异性的转录组变化。这项研究为探索正常和病理性衰老中细胞类型特异性动态提供了宝贵的资源。

相较于传统的单细胞测序技术,EasySci平台的主要特点包括:(1) 高通量低成本:制备100万个单细胞转录组的文库成本仅为700美元;(2) 基因全长覆盖:同时使用寡聚胸腺嘧啶和随机引物进行逆转录,实现对基因表达从5’端至3’端的全覆盖;(3)灵敏度提高:通过对细胞核存储、酶反应和引物设计的改进,显著增加了细胞检测率以及每个细胞检测到的转录本数量;(4) 改进的单细胞数据处理流程:原始测序数据快速生成基因表达及外显子表达矩阵。

作者应用EasySci对来自三个月、六个月和二十一个月的野生型小鼠和三个月的阿尔茨海默病模型小鼠进行单细胞分析,共收集了1,469,111个单核转录组数据和 376,309个单核染色质可及性组数据,发现了超过三十个主要脑细胞类型。进一步,为进行细胞亚类分析,作者充分利用了EasySci-RNA的基因全长覆盖的独特优势,将基因和外显子表达数据结合, 进一步提高了细胞类别的分辨率,共鉴定出359个细胞亚群。随后,作者通过与已发表数据的整合分析、空间转录组分析和基因模块分析确认了各细胞亚群的存在。

随后,作者研究了随年龄变化的细胞群体动态。在早期生长阶段(3到6个月之间),作者检测到有45个亚群发生了显著变化。许多嗅球相关细胞呈现显著扩增,其中包括大量嗅球神经元亚型,及罕见的星形胶质细胞亚型和血管脑膜细胞亚型。在衰老阶段(6到21个月之间),共有29个差异分布的亚群。随衰老减少的细胞与神经生长和少突胶质细胞分化密切相关,如嗅球神经祖细胞、嗅球神经母细胞、齿状回神经母细胞和分化中少突胶质细胞;而随衰老增加的细胞则与免疫、炎症反应有关,这包括一个疾病相关的小胶质细胞亚型(disease-associated microglia),和一个少突胶质细胞亚型(reactive oligodendrocyte)。通过进一步的空间转录组分析,作者检测到衰老相关的少突胶质细胞的特异标记基因(例如C4b、Serpina3n)在侧脑室的脑室下区(subventricular zone)周围显著富集,表明与成年神经生成微环境相关的炎症信号的激活。

同时,为探究阿尔茨海默病病理生理学相关的早期分子变化,作者比较了两个阿尔茨海默病突变模型(5xFAD和APOE4/Trem2R47H)与年龄相匹的野生型对照组(3个月),并分别检测到多个具有显著变化的脑细胞亚群。比如,一个罕见的脉络丛上皮细胞 (choroid plexus epithelial cell)亚型在两个模型中均呈现显著减少。该亚群富集表达了与神经保护因子相关的线粒体基因,表明脉络丛上皮细胞的线粒体功能障碍与神经退行性疾病的潜在关系。

最后,为研究人类大脑中的阿尔茨海默病(AD)相关基因特征,作者收集并分析了来自人脑的超过118,240个单细胞核转录组,覆盖了来自对照组和阿尔茨海默病患者的两个脑区共24个样本。作者鉴定了细胞类型特异性和区域特异性的AD相关基因动态,以及同种细胞类型不同脑区之间共同的失调基因特征。此外,整合人类和小鼠大脑数据进一步揭示了在人类AD患者和小鼠AD模型之间共同的基因表达特征和分子通路。

综上所述,本文开发了高通量的单细胞测序新方法EasySci,可以低成本地生成百万数量级的单细胞基因表达和染色质可及性数据。使用EasySci,作者收集、分析了跨不同年龄和基因型的哺乳动物大脑的150万个具有完整基因体覆盖的单细胞转录组和38万个染色质可及性谱,鉴定超过300个细胞亚型,分析了与衰老和AD相关的细胞群体动态和分子特征。

值得注意的是,EasySci平台可以很好的兼容其他特征在单细胞水平的检测。今年九月, 曹俊越团队发表的TrackerSci技术(第一作者为博士生卢梓育;Cell; doi: 10.1016/j.cell.2023.08.042) 和PerturbSci技术 (第一作者为博士生许子涵;Nature Biotechnology; doi: 10.1038/s41587-023-01948-9) 就是建立在该平台的基础上完成。

未来该平台可以被应用于整个生物体的单细胞测序,系统地鉴定全身各组织器官细胞状态,阐明罕见细胞群体与衰老和疾病的关系,并且为开发有针对性的治疗策略提供指导。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41588-023-01572-y





https://blog.sciencenet.cn/blog-3423233-1411960.html

上一篇:《自然—生物医学工程》:斯坦福大学吴庆明团队揭示心动过速导致心脏功能下降的分子机制
下一篇:《自然—方法》:赵方庆团队建立细胞外囊泡数据挖掘新技术
收藏 IP: 121.19.37.*| 热度|

1 许培扬

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-2-29 01:06

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部