母乳细胞的单细胞测序揭示了哺乳期乳腺变化

前言

题目：Transcriptional changes in the mammary gland during lactation revealed by single cell sequencing of cells from human milk 日期：2022-01-28 期刊：Nature Communications 链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27895-0

摘要

乳腺在女性的整个生殖周期中会经历组织结构的重塑，这在怀孕、哺乳和乳腺退化后恢复到静默状态期间尤为明显。确定这个发育过程中的动态调整，对于了解正常乳腺的功能至关重要，另外还帮助了解乳腺癌的起源。

乳腺包含了一个双层导管网络，其内层是在哺乳期间成熟为分泌细胞的管腔细胞 (LC)；另外还包括一个收缩性肌上皮 (MY) 细胞基底网络，它可以在哺乳期间将乳汁输送至乳头。在人类乳腺中，这种导管结构会嵌入富含胶原蛋白的特殊基质中，其中含有不同类型的间充质和免疫 (IM) 细胞。

本研究获得了9名捐赠者的母乳（LMC，56030 个细胞）和7名捐赠者的非哺乳期乳腺组织（NMC，54714 个细胞），总共110,744 个活的乳腺细胞，确定了两种不同的分泌细胞类型。

两种来源的细胞显示不同的特征

作者首先进行批次效应校正、过滤和归一化，并没有明显的批次效应，而NMC和LMC的分离主要是因为它们的组织来源不同，而非供体差异。因此之后才能用这个数据去探讨哺乳期和非哺乳期乳腺之间的表达差异。

然后进行聚类分群，

NMC主要是5个群，其中有3个是完全属于NMC：a single MY cluster and two luminal clusters (LCs)。

• MY marker：transcription factor p63 (TP63), keratin 17 (KRT17), metallopeptidase CD10 (MME), together with contractility genes encoding for alpha-smooth muscle actin (ACTA2), transgelin (TAGLN), myosin light chain kinase (MYLK) and tropomyosin (TPM2) demarked a single cluster as containing MY cells.
• luminal markers：主要是 keratin 18 (KRT18) and EPCAM (EPCAM)；其中HR cluster marker是ESR1, PGR, PRLR；LP的maker是ELF5，ALDH1A3, KIT, SLPI and KRT23

LMC样本主要是两个群：LC1和LC2，它们共同的marker是：luminal markers (KRT18 and EPCAM), major human milk protein genes (LALBA, CSN2 and CSN318) and other secretory genes integral to milk fat secretion such as xanthine hydrogenase (XDH), CD36 (CD36) and mucin-1 (MUC1)

然后对LC1和LC2进行差异分析， 其中1640 个基因在 LC1 中高表达，发现 1782 个基因在 LC2 中高表达；富集分析结果显示：LC1 细胞高表达与转录、免疫细胞功能和一些生物过程注释相关的基因，表明细胞可能受到压力；LC2 高表达与脂质产生和乳成分生物合成相关的基因，表明这些细胞可能是更为成熟的分泌性 LC。

两种组织来源的LC具有如此差异的表达模式，说明了LC1 和 LC2 可能受到不同的调节作用。

然后对来自NMC 和 LMC的4个LC群进行调控网络分析（SCENIC），发现每个LC群中都独特的调控元件，包括了HR中的FOXA1以及 LP 中的GATA6。LC2的top10 调控元件在LC1中也是高表达，例如STAT5A（essential for secretory LC differentiation and milk production）。不过LC1中也有一些特异性表达的，如SOX10（SOX10 has been reported to be highly expressed in progenitor cells and identified as an important regulator of mammary gland development）

非哺乳期和哺乳期乳腺的基质细胞之间差异

在NMC样本特有的群是：

• GJPA4+ (encoding gap junction protein alpha 4) vascular accessory (VA，血管附件) cells
• PECAM1+ (encoding CD31) endothelial (EN，内皮) cells
• DCN+/LUM+/COL1A1+ fibroblasts (FB，成纤维)

LMC和NMC共有的是：PTPRC+ (encoding CD45) IM（免疫） cluster

然后对免疫细胞群进行细分：One CD68+/FCER1G+ myeloid, three ITGAX+/CD33+ monocyte/neutrophil and two CD163+/MSR1+/C1QB+ macrophage subclusters

之后的细胞通讯发现，LC1 和 LC2 都表达通常与 IM 细胞信号转导相关的通路的配体和受体。例如major histocompatibility complex class I and II (MHC-I and MHC-II), colony-stimulating factor and granulin signalling

小结

作者在人类样本中发现了两个分泌性LC细胞群，而之前小鼠的研究中只有一个。虽然两者都表达了已知和新发现的分泌基因，但作者发现 LC2 的细胞还会高表达免疫调节和抗原呈递基因，这些基因之前并没有被列入乳腺的LC marker基因。

另外，虽然从乳汁中分离出的乳腺细胞不会直接参与乳腺癌的形成，但它们提供了一个轻松获取和研究人类乳腺细胞的机会。