单细胞技术揭示成纤维细胞异质性及其鉴定和区分特性

文章信息

今天带来的这篇文章2020年7月刊登在Nature communications上，题为：Single-cell analysis uncovers fibroblast heterogeneity and criteria for fibroblast and mural cell identification and discrimination。

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成年脊椎动物中许多重要的细胞类型都具有间充质来源，包括成纤维细胞和血管壁细胞。它们的生物学重要性无可争议，但器官内和器官之间的间充质细胞异质性水平尚未得到详细分析。在这篇文章里，作者比较了四种鼠类肌肉器官（心脏，骨骼肌，肠和膀胱）中成纤维细胞和血管壁细胞的单细胞转录谱。揭示了从壁细胞中划定成纤维细胞的基因表达特征，并为细胞亚型鉴定提供了分子特征。作者的数据为定义不明确的细胞类别的多样性提供了新的思路，并为进一步了解它们在生理和病理过程中的作用提供了基础。

单细胞测序

技术

Smart Seq2

分析细胞数量

共6158细胞：
心脏细胞1279个，
骨骼肌细胞1754个，
肠细胞1646个，
膀胱细胞1479个。

主要结果

基因表达区分壁细胞中的成纤维细胞

用pagoda2和SPIN算法分析，生成了主要柱状图和UMAP可视化图。作者基于脑血管系统中成纤维细胞和壁细胞类型的既定标记，首先在代表所有四个器官的组合数据集中分配了成纤维细胞和壁细胞原型的初步注释，一共16个不同的簇中，有12个是成纤维细胞数据集和4个壁画细胞。

接下来，作者通过差异表达分析为每个器官生成了全基因组的成纤维细胞和壁细胞特异性标记物。为了确定适用于免疫组织化学和原位RNA杂交分析的标记，作者使用了严格的基因鉴定标准，包括高表达水平和特异性。作者整理的常见成纤维细胞标志物的列表包括许多ECM基因，例如Col1a1，Col1a2，Col5a1，Loxl1，Lum，Fbln1和Fbln2，以及细胞表面受体Cd34和Pdgfra。重要的是，此列表不包含常用标记成纤维细胞特异性蛋白1（FSP1）。值得注意的是，没有任何一个转录本可以作为特定的成纤维细胞或泛壁细胞标记。例如，壁细胞中缺失的Pdgfra在大多数（尽管不是全部）中表达成纤维细胞亚型。

成纤维细胞异质性反映了不同的ECM（细胞外基质）特征

UMAP图中成纤维细胞簇的分散表明高度的成纤维细胞异质性。这种异质性主要归因于器官特异性差异，这一结论得到了pagoda2簇分配的支持。单细胞数据的聚类可能部分反映批次和细胞损伤引起的数据偏斜，因此将聚类与标记基因表达的不同区别结合起来很重要。作者针对16个pagoda2簇中每一个的前50个标记基因的分布确定了成纤维细胞亚型，反映了器官型以及器官内异质性。在所有分析中，尽管壁细胞包括两种具有明显不同细胞解剖结构的细胞类型，但壁细胞似乎比成纤维细胞更为均匀。

成纤维细胞亚型定位于不同的解剖位

单细胞成纤维细胞转录组不仅显示器官间差异，还显示器官内异质性，同样以ECM /基质为主要驱动力。因此，一个重要的问题是，这些成纤维细胞亚型是否在每个器官内占据不同的解剖位，在这些位点上它们贡献了利基特异性的ECM，或者它们是否对相同的利基贡献了互补的ECM成分。为了解决这个问题，作者将成纤维细胞亚型定位在各自的器官内进行分析。

作者分别分析了骨骼肌、心脏、结肠和膀胱。

与其他数据进行比较

作者将数据与来自脑和肺的壁细胞及成纤维细胞数据进行整合，在综合分析中，成纤维细胞形成了独特的器官特异性聚集，而壁细胞聚集更加均一并且包含来自多个器官的细胞。

总结

成纤维细胞的调节异常与多种疾病有关疾病，包括纤维化，癌症，炎症和心血管疾病等。在这篇文章里，作者分析了成纤维细胞来自四个不同肌肉器官的，单细胞分辨率的数据，并将它们与血管壁细胞进行比较。作者的数据揭示了定义所有器官中成纤维细胞的常见标志物，而且还具有广泛的成纤维细胞器官型以及器官间异质性。数据可以在该网站获得：https://betsholtzlab.org/Publications/FibroblastMural/database.html。