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成人乳腺的空间分辨单细胞基因组图谱

已有 861 次阅读 2024-1-12 12:41 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

成人乳腺的空间分辨单细胞基因组图谱

人类乳腺是一个顶泌器官，在产生乳汁以哺育婴儿出生后起着重要的生理作用。这种腺体功能是由高度分支的小叶单位介导的，小叶单位产生乳汁，乳汁通过导管网络运输。乳腺上皮系统嵌入富含脂肪的组织中，并被致密的脉管和淋巴管网包围(图1a)。人类乳腺组织由四个主要的空间区域组成:(1)末端导管小叶单位(TDLUs)和密集堆积的分枝上皮小叶;(2)多为双层上皮的小管;(3)细胞外基质(ECM)丰富的结缔组织;(4)脂肪丰富的区域(图1a)。这些区域由它们自己的细胞邻域组成，这些邻域先前在组织病理学研究中被描述过。然而，它们的细胞表达程序和空间组织的全面和系统的地图是缺乏的。

以往的研究主要集中在上皮细胞上，包括导管和小叶内的内层管腔细胞和外层基底肌上皮细胞(图1a)。对上皮的关注主要是由于其在乳腺癌、乳腺干细胞和祖细胞功能以及在月经、妊娠和哺乳期间的变化中的意义。先前使用单细胞RNA测序(scRNA-seq)的研究已经鉴定出三种乳腺上皮细胞类型，为本研究奠定了基础。越来越多的证据表明，微环境中含有大量的基质细胞，它们与上皮细胞活跃地相互作用。然而，对上皮细胞的高度关注在非上皮细胞类型的知识上留下了很大的空白。HBCA（Human Breast Cell Atlas）的目标是使用无偏倚的单细胞和空间基因组方法创建正常乳腺组织中所有细胞类型和细胞状态的综合图谱，这是更大的人类细胞图谱(Human Cell Atlas，HCA)项目的一部分。

HBCA项目总共收集了来自132名女性的220个新鲜乳腺组织样本，其中一个子集用于单细胞和空间基因组分析(图1b)。为了鉴定乳腺主要细胞类型，作者们对来自126名女性的167个组织样本进行了无偏3端scRNA-seq (10x Genomics)分析(图1b)。通过缩小乳房成形术(n =111)和预防性双侧乳房切除术(n=18)从无病妇女以及使用对侧乳房切除术(n=38)的未受影响乳房的乳腺癌患者中获得新鲜乳腺组织样本。手术后1-2小时内在四个机构收集新鲜组织样本，从大(50-100g)组织样本中生成活细胞悬液。用三种方法分离组织(短，~1 h;中，~6 h;长，~24 h)，主要差异在于酶解时间。本研究纳入的女性主要是高加索(46%)和非裔美国人(41%)，但也包括其他(13%)种族背景。

作者们对每个样本平均9,954个细胞进行测序，每个细胞平均读取46,000个读数。过滤后，整合来自714,331个细胞的scRNA-seq数据，揭示10个主要细胞类型集群(图1c)。这些细胞类型包括三种上皮成分:腔内激素反应(LumHR)、腔内分泌(LumSec)和基底肌上皮(Basal);两个内皮细胞(淋巴和血管);三种免疫细胞(T细胞、B细胞和髓细胞)和两种间充质细胞(成纤维细胞和血管周围细胞)。尽管细胞类型的频率在不同女性中有所不同，但在大多数女性中都检测到所有细胞类型，而与手术方式、解剖区域和分离方案无关。鉴定出的许多细胞类型与组织病理学和分子研究是一致的;然而，检测到大量血管周围细胞(总细胞数7.4%)和免疫细胞(总细胞数16.7%)是出乎意料的。许多表达最高的基因代表典型细胞类型标记;然而，超过一半的研究以前没有被广泛报道，为未来的研究提供了宝贵的资源(图1d)。

值得注意的是，scRNA-seq数据没有发现任何脂肪细胞，而脂肪细胞是组织病理学数据的主要组成部分。这主要是由于脂肪细胞的细胞尺寸较大(>50μm)，无法在scRNA-seq微滴平台上包封。为了鉴定脂肪细胞，作者们使用24份组织样本对来自20名女性的117,346个细胞进行了单核RNA-seq (snRNA-seq)分析(图1e)。snRNA-seq分析检测了通过scRNA-seq鉴定的大多数主要细胞类型(B细胞除外)，还包括脂肪细胞群和肥大细胞群(图1e)。snRNA-seq数据中的许多细胞类型标记基因与scRNA-seq数据不同，可能反映了细胞质和核RNA池的生物学差异(图1f)。为了鉴定细胞类型的转录因子，使用scRNA-seq和snRNA-seq数据集进行了调控网络分析。这些数据确定了许多已知的和以前未描述的调节乳腺细胞类型身份的转录因子。

一个潜在的问题是，采样不同的空间区域可能会导致细胞类型组成的差异。为了研究这一问题，作者们比较了22名女性匹配乳房(左-右)的细胞类型频率，根据Procrustes分析，显示出高度的一致性(R=0.83, P = 1.5 × 10−6)。作者们还比较了三种主要外科手术的细胞类型频率，结果显示差异很小。最后，进行了细胞-细胞相互作用分析，结果显示，通过配体-受体相互作用，主要乳腺细胞类型之间存在大量串扰。总的来说，这些数据确定了成人乳腺组织中的12种主要细胞类型。

图1 成人乳腺的主要细胞类型。a、成人乳房解剖和病理血红素和伊红切片，并附有主要乳腺细胞类型的插图。b、HBCA项目的工作流程。c、对来自126名女性167个组织的714,331个细胞的scRNA-seq数据进行UMAP投影，显示了10个与主要细胞类型对应的集群。d、根据一致性scRNA-seq数据，每个细胞类型簇中表达的前7个基因的一致热图。e、来自20名女性24个组织的117,346个细胞核的snRNA-seq数据的UMAP表示，显示了11种细胞类型集群。f、一致性snRNA-seq数据中每个细胞簇中表达的前7个基因的共识热图

参考文献

[1] Kumar T, Nee K, Wei R, He S, Nguyen QH, Bai S, Blake K, Pein M, Gong Y, Sei E, Hu M, Casasent AK, Thennavan A, Li J, Tran T, Chen K, Nilges B, Kashikar N, Braubach O, Ben Cheikh B, Nikulina N, Chen H, Teshome M, Menegaz B, Javaid H, Nagi C, Montalvan J, Lev T, Mallya S, Tifrea DF, Edwards R, Lin E, Parajuli R, Hanson S, Winocour S, Thompson A, Lim B, Lawson DA, Kessenbrock K, Navin N. A spatially resolved single-cell genomic atlas of the adult human breast. Nature. 2023 Aug;620(7972):181-191. doi: 10.1038/s41586-023-06252-9.

以往推荐如下：

1. 分子生物标志物数据库MarkerDB

2. 细胞标志物数据库CellMarker 2.0

3. 细胞发育轨迹数据库CellTracer

4. 人类细胞互作数据库：CITEdb

5. EMT标记物数据库：EMTome

6. EMT基因数据库：dbEMT

7. EMT基因调控数据库：EMTRegulome

8. RNA与疾病关系数据库：RNADisease v4.0

9. RNA修饰关联的读出、擦除、写入蛋白靶标数据库：RM2Target

10. 非编码RNA与免疫关系数据库：RNA2Immune

11. 值得关注的宝藏数据库：CNCB-NGDC