单细胞分析揭示小鼠子宫胚胎着床部位的细胞间通讯
前言
题目：Cell–Cell Communication at the Embryo Implantation Site of Mouse Uterus Revealed by Single-Cell Analysis 日期：2021-05-13 期刊：International journal of molecular sciences 链接：https://www.mdpi.com/1422-0067/22/10/5177
摘要
胚胎着床是人类生殖的关键步骤。这是一个低效率的过程，每个月经周期的着床失败率约为 70%。在辅助生殖技术中，尽管体外受精的成功率很高，但着床率仍然很低。因此，了解胚胎着床的分子机制非常重要。文章使用小鼠作为动物模型，在妊娠第 5 天解析了小鼠子宫着床部位和着床部位的所有细胞类型，还预测了子宫腔上皮细胞与囊胚壁滋养外胚层之间的信号相互作用，发现了胚胎着床的关键机制。
小鼠子宫胚胎着床部位的单细胞分析
为了捕获小鼠胚胎着床的细胞类型图谱，作者使用了由子宫内膜、子宫肌层和外膜组成的整个小鼠子宫，从着床部位 (IS) 和着床间部位 (IIS，作为对照) 得到单细胞 RNA-seq 数据。同时IS处的囊胚也被保留。
质控过滤后，总共获得了 8421 个细胞（IS 为 2606 个，IIS 为 5815 个），无监督聚类得到了 IS 和 IIS 组合的 19 个不同的细胞群。利用biomarker进行细胞类型的注释：基质细胞表达 Hoxa11 ，上皮细胞表达 Krt8 ，平滑肌细胞表达 Acta2 ，周细胞表达 Rgs5，内皮细胞表达 Vwf 或 Prox1 ，免疫细胞表达 Ptprc 。
另外，基质细胞也可以继续细分为4个亚群：S1、S1p、S2 和 S2p。S1/S1p的细胞高表达 Hand2，而S2/S2p相反， 这意味着 S1/S1p 是内部基质细胞，S2/S2p 是外部基质细胞。S1p 和 S2p 高表达 Mki67，表明 S1p 和 S2p 分别是增殖的 S1 和 S2 细胞的一个亚群。
上皮细胞有两个亚群：LE和GE。LE 含有表达 Tacstd2 的管腔上皮细胞，GE 由表达 Foxa2 的腺上皮细胞组成 。
内皮细胞有四个亚群：VEC 及 VECp 是表达 Vwf 的血管内皮细胞，而 LEC 及LECp 是表达 Prox1的淋巴管内皮细胞。
另外还有：
- seven immune cell clusters were macrophages (M, Ptprc+Adgre1+) , a proliferating subset of macrophages (Mp,Ptprc+Adgre1+Mki67+)
- dendritic cells (DC, Ptprc+Cd209a+Siglech−)
- plasmacytoid dendritic cells (pDC, Ptprc+Cd209a+Siglech+)
- mixed natural killer cells and T cells (NK/T, Ptprc+Nkg7+ or Ptprc+Cd3e+) , a proliferating subset of natural killer cells (NKp, Ptprc+Nkg7+Cd3e−Mki67+)
- B cells (B, Ptprc+Cd79a+)
着床位点的细胞类型比例变化
与 IIS 相比，作者研究了 IS 中每种细胞类型的丰度。发现与 IIS 相比，IS 中 Mp 和 NKp 的比例没有变化。值得注意的是，LECp 的比例显著下降，而 S1p、S2p 和 VECp 的比例显著增加。
着床位点相关的细胞中基因表达变化
利用差异分析研究了每种细胞类型中基因的变化，得到每个细胞类型中的差异基因
identified 391, 176, 281, 777, 385, 369, 305, 199, 211, 592, 422, 513, 95, 84, 310, 426, 323, 335 and 309 differentially expressed genes for LE, GE, S1, S1p, S2, S2p, SMC, PC, VEC, VECp, LEC, LECp, NK/T, NKp, B, M, Mp, DC and pDC, respectively
发现每种细胞类型都会调用不同的生物过程以参与胚胎着床
着床部位囊胚和子宫之间的细胞间通讯
囊胚和子宫之间的细胞间通讯是胚胎着床的关键机制。
作者重新分析了已发表的关于小鼠 E4.5 胚泡的单细胞 RNA-seq 数据集，其中E4.5 相当于妊娠第 5 天。通过biomarker鉴定出四种主要细胞类型：外胚层 (EPI) 、原始内胚层 (PE) 、极性滋养外胚层 (pTE) 和壁滋养外胚层 (mTE)。
在小鼠胚胎植入过程中，囊胚以 mTE 的方式附着在子宫 LE 上。接下来使用 CellPhoneDB来预测 LE 和 mTE 之间的配体-受体相互作用。发现总共 78 个配体-受体相互作用对，主要在Rap1 信号通路、Ras 信号通路、PI3K-Akt 信号通路、Hippo 信号通路 、MAPK 信号通路、Wnt 信号通路、细胞因子-细胞因子受体相互作用、肌动蛋白细胞骨架的调节和内吞作用。
拟时序推断四个基质细胞亚群之间的关系
发现所有的基质细胞都形成了一个连续的轨迹，在轨迹上绘制了三个标记基因，即 Hand2、Hoxa11 和 Mki67。
结果表明 S2p → S2 → S1 → S1p 轨迹：（1）S2p 是所有基质细胞的起源；(2) S2 能够过渡到 S1；(3) S1p 来源于 S1。
