摘要 很多研究都表明:成纤维细胞在单个组织中存在异质性,但是在不同健康和患病器官的组织中并没有证明 文章整合了2个物种的17个组织,涵盖11种疾病状态,50个数据集,得到了230,000个细胞scRNA 数据 比较了人和小鼠的成纤维细胞图谱发现,成纤维细胞的转录状态是保守的 文章提出假设,成纤维细胞的异质性是由于稳态组织和疾病组织之间的波动差异导致的 实验设计 重点还是落在小鼠 Mouse tissue 结论是:在稳态小鼠组织中,Pi16+ and Col15a1+的成纤维细胞亚群普遍存在,当然还有一些特异的亚群,它们之间可能存在进化的关联 用转基因小鼠进行验证 受伤或患病小鼠紊乱组织的成纤维细胞 组织的紊乱包括 and Hhip+ 这几个cluster在基因表达和组织分布和稳态组织的结果很相似;Cxcl5+, Adamdec1+ and Lrrc15+ 这几个是紊乱组织特有的,激活了稳态中没有的细胞状态 人的成纤维细胞图谱 假设:小鼠在稳定和紊乱状态的成纤维细胞亚型方面可能与人类表现出一些相似性 使用3个胰腺癌病人的癌和癌旁样本:n = 21,262 cells (图a-c),分成了CAF (c3和c8)和normal
前面我们在什么,你想要的单细胞亚群比例太少了?这个教程里面提到了如果Cancer-associated fibroblasts (CAFs) 细胞比例太少了但是它又是我们的研究目标,就可以实验手段重新富集它,再做一次单细胞数据。 具体来龙去脉大家可以自行阅读发表于2020的文章,标题 是:《Single-cell transcriptomic architecture and intercellular crosstalk of human intrahepatic cholangiocarcinoma》,
感兴趣成纤维细胞的非常多,可能主要是因为肿瘤领域的火爆,肿瘤微环境里面的免疫相关,不管是淋巴系还是髓系,都有了大量的 成果。 在小鼠模型里面也有:4T1这个TNBC小鼠肿瘤模型的CAFs异质性,其实大家并不能很好的确定自己研究的对象就是成纤维细胞。 比如这个 肿瘤相关成纤维细胞异质性 就是分成了6群: Subcluster 0 被作者定义为 vascular CAFs ,高表达 GJA4, and RGS5 等 Subcluster 1 被作者定义为 细胞亚群首先占比并不多,给出来的标记基因就一个 COL1A1: 第一层次的 fibroblast细胞亚群 所以接下来作者把这 2194个fibroblast细胞提取出来,再次进行降维聚类分群,发现里面其实并不都是成纤维细胞 fibroblasts (cluster 1/2/3/5/8/9 in A), ,继续降维聚类分群,居然又是可以区分成为6个独立的亚群 : 又是可以区分成为6个独立的亚群 值得注意的是其中有3个成纤维细胞亚群
当然原因也是不言而喻,成纤维细胞在肿瘤中可以通过分泌大量生长因子和改变基质结构从而达到促进肿瘤生长的目的,体外实验观察到肿瘤细胞在成纤维细胞条件培养液中侵袭力增强,而成纤维细胞在骨髓中不仅起支持作用,而且分泌体液因子 在进行伪时序分析时,发现成纤维细胞的成熟与细胞外基质组织、BMP信号通路、肌肉器官形态发生等功能相关,从而增强了成纤维细胞在心脏成熟中的作用。 成年心脏成纤维细胞促进新生儿心肌细胞的成熟 为了检验假设,作者使用了体外共培养系统,将从新生儿(P1)心脏分离的未成熟心肌细胞(imCM )与分别从新生儿心脏(NF)或成年心脏(AF)分离的成纤维细胞共培养 为了全面了解成纤维细胞对CM成熟的贡献,研究团队在编码成纤维细胞中分泌蛋白的特定基因与CM成熟相关的信号传导途径之间建立了推测的相关图(图6h,i)。 鉴于成年小鼠心脏成纤维细胞在心肌细胞成熟中的主要作用,作者思考人成年心脏成纤维细胞是否也能够促进hPSC-CMs的成熟。
数据介绍 癌症相关的成纤维细胞基因由先前的研究确定,作者使用了先前实验室发布的原发性结肠成纤维细胞与正常成纤维细胞的差异表达数据(GSE51257)。 结果解析 01 成纤维细胞相关基因选择signature 比较来自结肠癌成纤维细胞和非结肠癌成纤维细胞的基因表达数据,鉴定出596个蛋白质编码基因的成纤维细胞signature。 另外,作者分析了第二种signature,即成纤维细胞的外泌体特征,包含67个基因。 02 两种signature的组合 第一个特征与成纤维细胞激活或状态有关,而第二个特征与成纤维细胞和由其衍生的外泌体编排的基质/癌细胞之间的串扰有关。 03 成纤维细胞特征基因在晚期肿瘤预后价值提高 作者将队列中的人群分成肿瘤的几个阶段来计算每个个体的风险(图3a),发现所有与成纤维细胞相关的特征在肿瘤晚期阶段预测的风险高于早期阶段。
成纤维细胞各种亚型的特征以及生物学功能。 结果1、不同组织和病理状态成纤维细胞scRNA序列图谱的构建 269,899个单成纤维细胞转录组,该成纤维细胞图谱包括517个样本,涵盖11种不同的组织,每个样本涵盖一系列病理状况,包括癌前病变、不同阶段的慢性炎症和纤维化 比较不同疾病条件下成纤维细胞的总体组成,观察到炎症组织的中间激活状态,保留了很大比例的组织特异性FC,同时有向癌状态过渡的趋势,肌成纤维细胞轻度增加。 结果3、解读肌成纤维细胞异质性及其细胞类型起源 肌成纤维细胞是肿瘤基质的主要组成部分 采用RNA速率、PAGA、和CellRank等多种计算方法,发现c04-LRRC15肌成纤维细胞似乎是肌成纤维细胞分化的最终分化状态 结果5、在不同的癌症类型中,PI16+成纤维细胞和LRRC15+成纤维细胞参与空间上不同的多细胞模块 通过与不同免疫细胞亚群的相互作用来明显塑造免疫微环境的潜力。
不知不觉在单细胞转录组领域做知识分析也快两年了,很幸运聚集了五个小伙伴携手共进,我们承诺不间断更新5个月,把我们这两年的学习成果全部掏出来给大家,包括5个栏目:
,涵盖健康皮肤和23种皮肤疾病,并首次揭示了跨组织保守的疾病相关成纤维细胞亚型。 一、研究背景与意义 成纤维细胞(Fibroblast)是结缔组织中最核心的基质细胞类型,决定了组织结构、力学特性及免疫微环境的稳定性。 研究首次系统刻画: 健康皮肤中六大主要成纤维细胞亚型及其空间分布; 疾病状态下的亚型重塑与谱系转换规律; 跨组织保守的免疫相关成纤维细胞亚群。 该研究的最大创新在于:将单细胞表达谱与空间定位、疾病分层、跨组织对比有机结合,形成了皮肤及多组织成纤维细胞的统一命名体系。 跨组织保守性与系统炎症机制 整合皮肤、肺、肠、滑膜、子宫内膜、心脏等组织约580万细胞,重建跨组织成纤维细胞图谱。
hepatocellular carcinoma via secretion of macrophage migration inhibitory factor》,简单的看了看里面的图表,就是降维聚类分群后,针对肝癌里面的成纤维细胞亚群进行细分和讲解 前面的数据集GSE202642的第一层次降维聚类分群是9大亚群可视化如下所示: 9大亚群可视化 文章的分析很简单,,就是降维聚类分群后,针对肝癌里面的成纤维细胞亚群进行细分和讲解: 成纤维细胞亚群进行细分和讲解 可以看到作者把肝癌里面的成纤维细胞亚群分成了5个并且进行了功能性讲解,也就是常规的go或者kegg数据库注释啦, 就有了5个亚群的名字(vCAFs, mCAFs, lpmCAFs (CD36+ CAFs cancer-associated fibroblasts in the tumor microenvironment》,就是对 10 种实体癌类型的 226 个样本进行泛癌分析,以单细胞分辨率分析 TME,说明异质癌症相关成纤维细胞
结果2、疾病适应性与疾病特异性成纤维细胞疾病适应性成纤维细胞在表型上接近健康成纤维细胞亚型,并在疾病环境中显著扩增:第一种与健康皮肤中的F1:浅层成纤维细胞相似。 疾病特异性成纤维细胞(F6:炎症性肌成纤维细胞、F7:肌成纤维细胞和F8:筋膜样肌成纤维细胞)在健康皮肤中无对应亚型,且高表达肌成纤维细胞基因特征F6:炎症性肌成纤维细胞额外表达免疫相关基因,包括白细胞介素 研究结果表明:在疾病皮肤中,健康成纤维细胞中的F1:浅层成纤维细胞可获得再生表型(CRABP1+CYP27B1+),F3:FRC样成纤维细胞则呈现独特的极化状态(CXCL9+/ADAMDEC1+),并可能进一步产生肌成纤维细胞状态 结果7、成人及胚胎期人类皮肤中的F3:FRC样成纤维细胞基于成人皮肤F3:FRC样成纤维细胞与肠道T网状细胞的高度相似性,推测这些成纤维细胞在各自组织中具有同源起源。 为从发育角度探索F3的谱系发生,首先整合了成人及胚胎期皮肤成纤维细胞数据,并鉴定出对应的成纤维细胞群体,发现成人F3群体与胚胎期皮肤CCL19+成纤维细胞显著相关。
其中,KRT5+基底细胞再次细分成5个亚群,成纤维细胞(LUM+)分为3个亚群 发现OKC 的细胞成分在供体之间表现出高度的异质性 牙源性角化囊组织样本中的成纤维细胞异质性 成纤维细胞 (LUM+) 发现成纤维细胞亚群在病例中有所不同,Fibo_3占50%以上,是最常见的类型。 为了模拟静水压力的潜在影响,作者采用压缩加载系统并对成纤维细胞施加 80 mmHg 压力 6 小时(图 B) 与对照组相比,静水压力处理的成纤维细胞中CXCL12显著上调,但其他趋化因子(CCL21、CXCL5 为了进一步验证CXCLs的表达水平,免疫组化结果发现CXCL12主要在成纤维细胞和免疫细胞中表达,并且H-score相关性分析发现基质中CXCL12表达与CD31的表达密切相关。 总结 这是第一项利用 scRNA-seq 在转录组水平上全面描述 OKC 细胞的研究,证明了一种成纤维细胞亚群(称为富含趋化因子的成纤维细胞)的作用,以及与血管生成和免疫浸润的密切关系。
构建了一个33个亚群,十八种亚型的成纤维细胞图谱。Fig. 2. 不同成纤维细胞亚型在癌旁和肿瘤样本中的分布差异在肿瘤微环境中发挥着独特的作用,并且参与癌症的进展。接着,研究团队通过比较同一亚型的不同病理状态的成纤维细胞差异,来进一步研究成纤维细胞的重编程。 轨迹结果显示,状态8、状态9和状态10的成纤维细胞,主要是CD74+抗原呈递成纤维细胞,可能来源于其他细胞类型的转变,而状态1的TSPAN8+染色质重塑成纤维细胞在很大程度上主导了组织驻留成纤维细胞的根部 不同成纤维细胞亚型(如SPP1+电子转运、CFD+炎性、KRT14+电子转运成纤维细胞)的衰老评分在年龄组间差异显著,而RGS5+肌成纤维细胞在五种组织中均显示衰老与老化正相关,TSPAN8+染色质重塑成纤维细胞在卵巢和结肠中呈显著负相关 单细胞分析显示,不同成纤维细胞亚型 在肿瘤微环境中分布各异:CFD+ 炎性成纤维细胞 富集于癌旁组织,而 RGS5+ 肌成纤维细胞 和 IL6+ 炎性成纤维细胞 在非缓解肿瘤中增多,TSPAN8+ 成纤维细胞
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。 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。 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。 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。
成纤维细胞亚群的功能和空间特征 成纤维细胞单独提取出来,并没有重新聚类分群。但由于皮肤及其成纤维细胞在衰老时会发生特定变化所以仅使用来自年轻样品(1792个细胞)的成纤维细胞进行此分析。 # 3 中的成纤维细胞。 第三个亚群,预计具有更多的 网状成纤维细胞特性,显示出更大的间充质潜力(簇#9,"间充质成纤维细胞")。第四个亚群具有大部分网状成纤维细胞特性,其特征在于促炎功能(簇#2,"促炎成纤维细胞")。 衰老导致真皮成纤维细胞启动丧失 还研究了真皮成纤维细胞亚群水平上衰老的影响。相对而言,年老样品中间充质成纤维细胞的数量明显减少。 能够最大限度地减少混杂效应,并提供人类真皮成纤维细胞内在年龄相关变化。(2)结果表明存在四种主要的真皮成纤维细胞亚群:分泌性网状,分泌性乳头状,促炎性和间充质成纤维细胞。
关于肿瘤环境中的成纤维细胞,王凌华的文章可谓一颗“炸弹”。nature期刊也进行了重点解读,可见其重要性。 TME中的成纤维细胞在开放性伤口中,成纤维细胞会被激活为肌成纤维细胞,通过分泌胶原蛋白促进愈合。此过程会表达α-平滑肌肌动蛋白(SMA)和成纤维细胞活化蛋白(FAP)等激活标志物。 伤口愈合完成后,活化的成纤维细胞会恢复静息状态。但正如"肿瘤是不愈合的伤口"这一经典论断所示,肿瘤组织中的成纤维细胞活化对癌症进展至关重要。 TME中的成纤维细胞活化程度远超正常伤口愈合——它们会转化为CAFs并过度产生基质成分。 rCAFs具有与正常成纤维细胞相似的抑癌特性:Meflin(正常成纤维细胞标志物):通过抑制赖氨酰氧化酶(介导胶原交联)降低ECM胶原含量,改善组织软化和药物渗透。
在成纤维细胞中,五个细胞cluster在所有瘘管中持续过表达:其中三个与FAS细胞最匹配,两个类似滤泡网状细胞(基质4)和粘膜下成纤维细胞亚群。 我们来总结一下发现核心细胞:瘘管相关基质(FAS)成纤维细胞研究首次识别并命名了一类特殊的成纤维细胞——FAS细胞。 结果2、发育转录因子对FAS细胞的调控作用探究了FAS细胞中表达的转录因子如何指导成纤维细胞的功能。通过慢病毒载体,在原代肠道成纤维细胞中过表达了TWIST1和OSR2。 尽管细胞形态发生改变,但OSR2细胞并未显示成纤维细胞标志物(COL1A1、COL3A1、THY1和VIM)表达的显著降低,表明这些细胞仍保留了其成纤维细胞的身份。 结果3、克罗恩病溃疡中与瘘管相关的成纤维细胞在所有克罗恩病溃疡的基底均发现了FAS样成纤维细胞,表明这类细胞是溃疡的普遍特征,而不仅仅是那些会发展成瘘管的溃疡所特有。
(小静脉、毛细血管、小动脉)、壁细胞(周细胞、血管平滑肌细胞)及NOTCH3+血管成纤维细胞基质-脂肪区:嵌有血管细胞和成纤维细胞的脂肪细胞区域衬里层成纤维细胞区:CD55+滑膜衬里层成纤维细胞衬里层巨噬细胞区 NOTCH3、THY1)神经相关型(表达L1CAM)促纤维化成纤维细胞是无应答特征富集程度最高的亚型,在无应答相关的成纤维细胞富集区、基质-脂肪区及血管区显著扩增。 COMP与POSTN在空间上分布于不同区域:COMP高表达成纤维细胞主要定位于两种区域:①细胞稀少的成纤维细胞富集区;②血管周围区的远端层,环绕壁细胞和血管成纤维细胞POSTN转录本与壁细胞标记物(ACTA2 )和血管成纤维细胞标记物(COL15A1)共表达,集中于血管区域的近端细胞层空间数据分析显示血管细胞比例与COMP表达成纤维细胞丰度呈正相关TGFβ亚型的空间分布模式:TGFB1:与衬里层成纤维细胞标记物 成纤维细胞基因表达呈近端-远端梯度分布近内皮层成纤维细胞(紧邻内皮细胞):高表达Notch靶基因(JAG1、HES1、NOTCH3)及POSTN远内皮层成纤维细胞(间隔一层以上细胞):Notch靶基因及
作者研究发现CRC肿瘤样本中FAP +成纤维细胞的浸润显着增加,而NT5E +和FGFR2 +成纤维细胞的浸润显着减少; 然后,作者进行了 RNA“速度”分析,推断FAP +成纤维细胞的分化轨迹,发现肿瘤特异性 FAP +成纤维细胞可能起源于FGFR2 +成纤维细胞或ICAM1 +端粒细胞。 7.FAP +成纤维细胞和SPP1 +巨噬细胞相互作用可能有助于促纤维增生性肿瘤微环境 作者为了进一步确定CRC 患者中FAP +成纤维细胞和SPP1 +巨噬细胞相互作用的关键介质,研究了FAP +成纤维细胞和 中间, FAP +成纤维细胞和SPP1 +巨噬细胞之间重要配体-受体对的热图。FGFR2 +成纤维细胞或ICAM1 +成纤维细胞作为配体-受体分析的参考细胞类型。 h.热图显示FAP +成纤维细胞中排名前 20 的配体 ( e ) 和下游靶基因的调节潜力。 i.富集在FAP +成纤维细胞中表达的预测靶基因的代表性 KEGG 途径。
单细胞RNA测序(scRNA-seq)已经发现了纤维化亚群,如表达Acta 2(Acta 2+)的肌成纤维细胞、Pdgfrb+间充质细胞和Cthrc1+成纤维细胞。 结果4、成纤维细胞的体内富集分析体内富集状态和阶段特异性成纤维细胞表型的功能效应。 结果6、推断成纤维细胞的niche通过量化成纤维细胞局部邻域内细胞表型的全细胞频率来推断成纤维细胞的细胞生态位。根据转录表型,成纤维细胞位于两个整体细胞niche之一。 )与增强的成纤维细胞-成纤维细胞相互作用相关。 ECM分泌成纤维细胞在纤维化结构区域最富集,而促消退成纤维细胞在非纤维化结构区域最富集。研究结果确定了基于组织结构和肺泡成纤维细胞相互作用的协变空间转录特征。
为了验证这种肿瘤特异性成纤维细胞浸润,作者通过流式细胞术分析了结直肠肿瘤和非恶性样本中基质细胞亚型标志物 CD24、CD26、NT5E、FAP 和 FGFR2 的表达,结果显示FAP +成纤维细胞的浸润显著增加 ,而NT5E +和FGFR2 +成纤维细胞在 CRC 样本中显著减少。 RNA速率分析显示肿瘤特异性FAP +成纤维细胞可能起源于FGFR2 +成纤维细胞或ICAM1 + telocytes。 FAP +成纤维细胞的分化由复杂的转录因子网络协调,因此使用pySCENIC进行分析,发现TWIST1在FAP +成纤维细胞的调节网络中具有最高的表达水平和活性,可能是驱动该分化途径的主要转录因子。 FAP +成纤维细胞和SPP1 +巨噬细胞的高浸润与较差的患者生存相关 FAP +成纤维细胞和SPP1 +巨噬细胞主要富集在肿瘤组织中,之前又发现 MSCs 和骨髓细胞浸润之间存在高度的相关性。