人类远端肺部气道细胞图谱绘制
文章信息
题目：Human distal lung maps and lineage hierarchies reveal a bipotent progenitor 日期：2022-03-30 期刊：Nature DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04541-3
摘要
人类疾病通常呈现异常的细胞类型或细胞状态。单细胞技术的发展可以在单细胞分析率下全面绘制复杂组织的分子特征。到目前为止，大多数肺细胞图谱研究都依赖于活检样本或支气管冲洗得到的解离细胞。但这不能代表整个肺部，人类远端气道的综合图谱依然缺乏，其中就包括了与呼吸道疾病有关的终末细支气管和呼吸道细支气管(TRB)。本文用空间转录组学和单细胞转录组测序技术构建了人类远端气道的精细图谱，确定了不同的TRB细胞类型以及分子特征。
空间和单细胞转录组学揭示了远端气道中不同的上皮细胞类型
- 首先，作者使用 Visium 技术对肺切片进行了空间转录组 (ST) 分析，并且使用无监督聚类得到九个大群，包括上皮、间充质、平滑肌、软骨、内皮和神经元细胞。
- 然后，作者对远端气道进行了单细胞转录组分析，拿到了21,700 个细胞，共45个亚群，其中发现大多数已知的内皮细胞（动脉、静脉、淋巴管、支气管血管、气细胞和“一般”毛细血管 (gCap)）、免疫细胞（经典和非经典单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、血浆、嗜碱性粒细胞、B、CD4+ 和CD8+ T、NK和树突）和间充质细胞。
基于基因的差异分析，作者得到了18个不同的上皮细胞亚群，并根据SFTPB表达与否分为两个不同的细胞群：SFTPB- 和SFTPB+。发现SFTPB- 群体标志物与近端气道相关，而SFTPB+群体存在于远端气道中。荧光原位杂交 (FISH)和免疫染色进一步验证了这些发现。
作者发现，不同的上皮细胞类型可以共表达SFTPB，但是差异表达SCGB1A1、FOXJ1、SCGB3A2和SFTPC。其中每一种都处于远端气道内的特定位置，并将其命名为 TRB 分泌细胞（TRB-SC）、末端细支气管前分泌细胞（pre-TB-SCs）、肺泡 0 型上皮细胞（AT0s）、SCGB3A2 纤毛细胞 (SCGB3A2-CCs)。
作者还发现四种类型的基底细胞：
- 一种高表达TP63、KRT5、KRT17和IL33，和之前报道的气道基底细胞类似
- 第二种低表达TP63，而分泌细胞标志物如LTF、SCGB1A1和SOX21的表达升高，这表明它包含分化的基底细胞。
- 其余两群都表达SFTPB和TP63，但一种存在KRT5、AQP5、KRT15和IL33的下调，另一种存在SLC34A2、BST2、RNASE1、NKX2-1和MUC1的上调。作者将这些细胞称为远端基底细胞 1 (distal-BC-1) 和远端基底细胞 2 (distal-BC-2)。
以LGR5为标志的气道独特的成纤维细胞群
基于人肺部参考数据集，先注释了7个间充质细胞群：肺泡成纤维细胞、外膜成纤维细胞、肌成纤维细胞、纤维肌细胞、周细胞以及血管和气道平滑肌细胞。此外，发现了一个本数据中独一无二的成纤维细胞。它高表达LGR5、F13A1、PDGFRA、WNT5A、RSPO1、DLL1、TGFBI和DIO2。空间转录组数据表明，包括FGF14在内的基因表达在气道周围的LGR5+成纤维细胞中富集，但在肺泡区域中不存在。RNA-FISH 显示LGR5+成纤维细胞位于气道的上皮下间质中。
通路分析表明，表达LGR5的细胞富集 WNT、PDGF、BDNF 和 TGFβ 信号通路。LGR5+成纤维细胞是 FGF（FGF2、FGF7、FGF10 和 FGF14）、BMP（BMP2、BMP4、BMP5 和 BMP7）和 WNT 通路配体的来源，这些配体通过其同源受体（FGFR2 和 FGFR3；BMPR1B 和 BMPR2）发出信号。远端 BC-1、远端 BC-2 和 TRB-SC 表达 PDGF 配体，其受体由LGR5+成纤维细胞表达。这些说明了，以LGR5+成纤维细胞和远端BC-1、远端BC-2 和TRB-SC为中心存在双向信号传导。
人肺泡上皮中 AT0细胞的动力学和独特的细胞轨迹
作者使用几种不同的轨迹分析算法（scVelo、Monocle3、PAGA、scEpath和Slingshot），发现从AT2群到成熟AT1或TRB-SC到AT0的明显细胞轨迹。MuTrans的结果表明，AT0具有高熵，因此稳定性较低。
作者进一步使用人类AT2来源的肺泡培养物验证了这些预测。作者耗尽了 AT2 生长和维持所必需的因子（EGF、FGF10、SB431542 和 CHIR99201），耗尽后类器官形态从囊状到多腔囊状结构和细胞状态转变。AT0 数量在第 14 天达到峰值，而在 EGF 耗尽后，TRB-SC 从第 14 天到第 28 天显著增加。
因此最后得到一个模型：AT2 首先转化为 AT0，然后发育为 TRB-SC，TRB-SC 进一步成为上皮囊肿，类似于人类肺部病理状态下的细支气管化结构。