科研

同日两篇Nature重磅发布!单细胞RNA测序发现全新细胞类型

单细胞RNA测序可以帮助我们认识同一组织中的不同细胞,以及同一细胞中不同基因的表达情况。此前科学家在肺部识别出的细胞共有12种,2018年7月12日,美国研究人员利用单细胞测序技术对数千个健康和癌变肺细胞进行了研究,报道了52种不同的细胞类型,发布了第一个完整的肺肿瘤细胞图谱。肺部及其肿瘤或许远比我们认为的要复杂的多。

仅仅不到一个月,一种新肺部细胞就被发现,进一步丰富了肺细胞图谱。

2018年8月2日,国际顶级学术期刊Nature同期发表了两篇单细胞RNA测序的相关研究成果,研究人员发现了一种新型细胞——“肺离子细胞”。这两项成果由两个独立研究团队完成,他们分别使用单细胞RNA测序技术分析了小鼠、人类气管和支气管组织细胞,深入了解了肺部细胞之间的关系,同时,他们发现变化多端的CFTR基因突变表达就在这种新发现的细胞中。

肺离子细胞(橙色)延伸通过小鼠上呼吸道中的邻近上皮细胞。细胞核呈青色。图片来源:Montoro et al./Nature 2018

科学家一直在探索CFTR基因突变及其表达,但发病机理一直未得到彻底的研究。原来是因为CFTR表达仅发生在少数细胞中,而直到现在人们才发现这些细胞存在!藏得真深啊!

 

CFTR是什么基因?

囊泡性纤维化跨膜传导基因(Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator ,CFTR)是一种高水平突变基因,其表达的CFTR蛋白是一种氯离子通道蛋白,主要表达于黏液-纤毛清除系统的黏液腺体中,分布在呼吸道表面,在黏液纤毛清除和自我防御方面起着重要作用。而CFTR蛋白异常引起的囊性纤维化,是在部分人群中高发的一种遗传性疾病,尤其是白色人种,约半数儿童患者会因感染或心肺功能衰竭等严重并发症于10岁前死亡,活至成年者较少。

Nature发表的第一篇文章中,来自Broad研究所和其他机构的同事,对近7500个小鼠的气管上皮细胞做了单细胞RNA测序,并在体内进行了细胞谱系追踪实验、脉冲序列分析和谱系层次分析,以及与囊性纤维化的关系研究。利用这些数据信息,研究小组分析了小鼠气道细胞类型起源、发育轨迹和相互作用,同时鉴别了以前未被发现的肺细胞类型。

文章中,研究小组重点描述了一种从未被被报道过的罕见新细胞类型——Foxi1+肺离子细胞。这种细胞的基因表达与特殊的离子运输调节细胞有关,仅约占小鼠和人类细胞总数的1%,类似于鱼类和青蛙中常见的运输离子细胞。在鱼类中,离子细胞有助于维持机体与水的平衡。而在小鼠和人类体内,这种新细胞会在组织和周围空气之间的交界移动离子。同时,研究人员发现在缺失Foxi1转录因子编码基因的小鼠离子细胞中,囊性纤维化基因CFTR的表达增强。

小鼠气管上皮细胞的单细胞表达图谱,图片来源:Nature

Broad研究所主任、人类细胞图谱联合会主席Aviv Regev表示,利用单细胞测序技术,可以帮助绘制不同组织中的细胞类型,发现未知的、罕见的新细胞,细胞亚型。在研究了数千个细胞并确定了基因在细胞中的功能后,Broad研究团队利用这些数据信息创建了一个“细胞图谱”,该图谱可帮助确定每种细胞类型的位置,帮助研究人员将复杂肺部疾病相关基因与特定细胞联系起来,帮助研究人员转变了对肺部疾病的思考方式,如囊性纤维化和哮喘等。

在第二篇报道中,诺华生物医学研究所领导的研究小组进行了类似的研究,他们对7600多个小鼠的气管上皮细胞和2970个原代人支气管上皮细胞进行了单细胞RNA分析。有趣的是,该研究团队在对肺细胞进行分类的过程中发现了与上述报道相同的新型离子细胞。诺华团队研究人员表示:“当不同研究小组意识到所做研究工作相似时,我们会给予新细胞类型相同的名称,并同时出版来加强研究结果。”

小鼠和人类近端气道上皮细胞的单细胞RNA-seq流程,图片来源:Nature

通过结合电生理、影像学和其他数据,研究人员不仅检测了肺离子细胞中Foxi1,CFTR和液泡型H + -ATPase亚基的表达。研究结果表明,这些电离细胞高水平表达了CFTR基因。研究人员破坏了小鼠肺电离细胞的一个关键分子过程,发现小鼠表现出囊性纤维化症状。这一发现另研究人员很是吃惊,因为此前的假设多认为CFTR基因主要在纤毛细胞中表达。

研究人员还确定了Notch信号传导在该细胞类型中的关键作用。同时,该研究小组描述了该新型细胞的异质性,并体内平衡和组织修复过程中分辨出了明显的分化轨迹。

尽管目前已有几种经过批准的囊性纤维治疗方法,如Kalydeco、Orkambi和Symdeko,都旨在纠正由CFTR基因突变引起的功能失调或蛋白质缺乏,但它们并不能直接针对CFTR基因突变。这项新研究发现可以增强未来的囊性纤维化治疗,使开发囊性纤维化基因治疗成为了可能。

 

 

 

参考资料:

1.New Lung Cell Type Linked to Cystic Fibrosis Emerges From Mouse, Human Cell Atlas Studies

2.Lung cell discovery opens new route for cystic fibrosis treatment

3.Rare Lung Cell Type Appears to Play Important Role in Cystic Fibrosis

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本文由来源 微信,由 王迪 整理编辑!

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