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多组学联合文章速递 | 空间转录组 + 单细胞 + 蛋白组学共同揭示特应性皮炎中复杂的炎症细胞网络
发布时间:2023-10-19 浏览次数:2065
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空间转录组测序 + 单细胞测序 + 蛋白组学测序 SCI 文章

今天跟大家分享一篇近期发表的三大热门组学共同揭示特应性皮炎(AD)中复杂炎症细胞网络的文章,文章标题:Spatial transcriptomics combined with single-cell RNAsequencing unravels the complex inflammatory cell network in atopic dermatitis


研究背景

特应性皮炎 (AD) 是一种慢性炎症性皮肤病,影响全球高达 3%–5% 的成人和 20% 的儿童。发病机制复杂,AD 皮肤中的细胞间关系尚未完全了解。

样本及数据信息

检测空间基因表达的皮肤组织取自 6 名健康对照 (HC) 供体和 7 名 AD 患者的上臂。在单细胞实验中,分析了 4 个 AD 病变和 5 个肘窝健康皮肤以及全层皮肤活检(4 个 AD 和 2 个 HC)的单细胞数据。还对 36 名 AD 患者和 28 名 HC 的血清样本进行了 olink 蛋白组学测定。

研究结果

(1)  特应性皮炎皮损的空间基因图谱分析

作者对非病变 (NL) 和病变 (LS) AD 皮肤进行了空间转录组学测序,并将它们与健康皮肤进行比较(HC)。利用高表达基因和病理学结果相结合进行初步的细胞聚类。结果发现,LS 样本中真皮上层有明显的白细胞浸润表达增加。

(2)  特应性皮炎皮损和白细胞浸润区的细胞结构

作者为了进一步探究白细胞浸润区的细胞特征,将单细胞数据与空转数据相结合,对空转数据进行更精确化的细胞注释。结果发现,T 细胞、DC 和巨噬细胞共定位于 AD 皮损的白细胞浸润区域,靠近表皮的真皮上层,在 HC 和 NL 皮肤中数量较少。并且在该区域,CCL18、CCL19 和 CCL21 的基因表达高度上调。

空间转录组测序 + 单细胞测序 + 蛋白组学测序 SCI 文章图 1

图 1.LS 空间转录组学切片中细胞类型预测分数的空间特征图及 "白细胞浸润" 群组中前 20 个高表达基因热图

(3)  识别病变皮肤白细胞浸润区中的活化成纤维细胞和树突状细胞

对独立 AD 队列的 19 个全层皮肤活检进行 RNA-seq 分析,检测到 LS 中 CCL19、CCR7、CCL17、CCL22 和 TNC 的基因表达增加(图 3A)。为了探索 AD 中不同细胞类型如何通过配体 - 受体对 CCL19 和 CCR7 的表达来促进免疫活性,作者将单细胞数据进行细胞亚类划分。结果发现,在皮肤中多种细胞类型,包括基底角质细胞和平滑肌细胞都表达 CCL19。COL18A1+ 成纤维细胞和 LAMP3+DC 是 CCL19 的两大来源。LAMP3+DC 是 CCR7 阳性细胞中的主要细胞类型,这可能表明这两种细胞类型之间存在相互作用。之后通过病理学切片发现,COL18A1+ 成纤维细胞遍布整个真皮,但活化 COL18A1+ 成纤维细胞特别集中在 LS 的白细胞浸润区域,并与 LAMP3+DC 共定位。

空间转录组测序 + 单细胞测序 + 蛋白组学测序 SCI 文章图 2

图 2. AD 患者 RNA-seq 相关基因表达情况及单细胞数据中 CCL19 与 CCR7 基因表达细胞的分布

(4)  特应性皮炎皮损位置巨噬细胞的空间特征

LS 中白细胞浸润区域 CCL18 高度上调。因此,作者探究了 AD 患者皮肤中 CCL18 的来源。结果发现 M1 巨噬细胞表达 EGFR 配体双调蛋白 (AREG),但不表达 CCL13 和 CCL18,而 M2 巨噬细胞仅在 AD 病变中表现出 CCL13 和 CCL18 的高表达。并且在 CCL13 和 CCL18 的空间基因表达共定位中也发现,LS 中白细胞浸润区域有大量的 M2 巨噬细胞。

空间转录组测序 + 单细胞测序 + 蛋白组学测序 SCI 文章图 3

图 3. 特应性皮炎中表达 CCL13 和 CCL18 的 M2 巨噬细胞的鉴定

(5)  组织和血清中与成纤维细胞、DC 和巨噬细胞相关的蛋白质水平与 AD 的严重程度相关

作者使用免疫荧光和免疫组化技术进一步研究了皮肤中表达 COL18A1+  的 TNC 成纤维细胞和 M2 巨噬细胞的定位情况。结果显示,在 AD 患者的皮肤中,TNC 特别定位于表达 COL18A1 的细胞周围,并且在 LS 中显著增加。表达 CCR7 的细胞显示在病变皮肤的白细胞浸润区域,并且与表达 CCL19 的 1B10+(成纤维细胞表面标记)成纤维细胞非常接近。

同时作者为了研究这种细胞特征是否与血清生物标志物表达模式相一致,使用了 AD 患者血清样本进行蛋白质组学测定(olink)。结果显示 AD 患者血清中三种生物标志物(CCL18、TNC、REG1A)增加显著。并且与特应性皮炎评分(SCORAD) 显着相关。

空间转录组测序 + 单细胞测序 + 蛋白组学测序 SCI 文章图 4

图 4. 细胞中基因表达特征与血清生物标志物表达模式相一致

(6) AD 病变皮肤白细胞浸润区配体与受体之间的相互作用

空转数据分析表明,白细胞趋化因子、细胞因子介导的信号通路和细胞外基质组织相关受配体对的表达在 LS 中显着相关,但在 HC 或 NL 中则不然。这些受配体对包括 CCL19-CCR7、COL4A1-CD93、MRC1-PTPRC,以及 CD3 和 CD1B 的相互作用。绘制受配体对热图,结果显示,COL18A1+ 成纤维细胞和 LAMP3+DC 或 LAMP3+DC 本身就是 CCL19-CCR7 对的主要来源。COL4A1-CD93 对之间的相关性表明 COL18A1+ 成纤维细胞和 M2 巨噬细胞之间可能存在相互作用。CD14-ITGB2 和 MRC1-PTPRC 对代表 LS 中白细胞浸润区域中 M2 巨噬细胞和 T 细胞之间的显着相互作用。其他受配体对(例如 C3-IFITM1)表明 COL18A1+ 成纤维细胞和 T 细胞之间存在相互作用。

空间转录组测序 + 单细胞测序 + 蛋白组学测序 SCI 文章图 5

图 5. 受配体对热图

结论

在本研究中,空间转录组学和单细胞转录组学在皮肤活检中的整合能够更加清晰的剖析细胞定位,并识别新的细胞亚群、新分子的表达以及邻近细胞之间的相互作用。文章不仅对细胞 - 基因表达特性的类型进行解析,还识别了白细胞浸润和驻留组织细胞的详细特征以及它们之间的相互作用。并且与蛋白组学技术相结合,阐述了外周血中的相关蛋白的表达情况,也为寻找特应性皮炎的生物标志物打下了基础。

空间转录组测序 + 单细胞测序 + 蛋白组学测序 SCI 文章图 6