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Nature | 7万个单细胞测序!首个人类妊娠早期细胞图谱成功绘制将改变对健康发育的认知

孕早期细胞的变化对于妊娠成功至关重要。妊娠过程中最令科学家困惑的方面之一就是为什么母亲的免疫系统不会攻击发育中的胎儿。如今,研究人员终于揭开了这些错综复杂的分子机制。2018年11月15日,来自威康基金会桑格研究所、剑桥大学及纽卡斯尔大学的联合研究团队在Nature期刊发布重磅论文,展现了母胎界面的单细胞图谱。研究人员对70000个孕早期胎盘细胞进行了单细胞RNA测序,并对与之相匹配的母血及蜕膜细胞进行了研究,揭示了不同细胞类型的复杂性以及胎儿细胞与母体细胞之间的通讯方式。其中,细胞间通讯网络表明,母亲的免疫系统与胎盘植入之间的关系密不可分,这为人们解决妊娠疾病,如先兆子痫等提供了有利的依据。此外,该文章不仅揭示了母体免疫系统对于干扰胎盘和子宫部位变化的方式与机理,同时也揭示了与之相关的抗炎和免疫环境与某些肿瘤之间的一些特征。

文章的第一作者表示:“我们检测了在蜕膜和胎盘期间细胞中活跃的基因,并发现了其中哪些基因可以修饰母体的免疫系统。胎盘与母体免疫系统相连的细胞负责胎盘的正确植入,因而才能保证胎儿正确生长和发育。这些数据结果更是是史无前例的。”

研究人员通过使用显微镜检查了胎盘细胞之间的相互作用以及母体和胎儿组织界面中胎盘细胞间的相互作用[1],并对大约70000个孕早期细胞进行了转录组测序,其中包括11个蜕膜样本、5个胎盘样本以及6个正常血液样本,如图1。同时,他们还使用10x Genomics Chromium液滴系统、Illumina测序平台和Smart-Seq2技术分析了细胞之间的关系,并用统计学方法来解释关系的机理[2]。

图1. 蜕膜、胎盘和母体外周血单核细胞的单细胞转录组分析工作流程。括号中的数字表示被分析的个体数量。

细胞之间讯息传递

值得关注的是,研究人员建立了一个储存这些数据的开放式数据库,以便于追踪细胞的特异性表达,同时还可以对不同细胞类型之间的分子相互作用进行预测分析。研究人员分析了每个细胞类型中配体和受体的表达水平,并凭借经验去统计有哪些配体和受体会产生显著的细胞类型特异性,而这种特定的细胞类型可以预测细胞群之间的分子相互作用,研究人员在蜕膜和胎盘中构建了一个潜在的细胞-细胞通讯网络,如图2及图3。

图2. 蜕膜(左)与胎盘(右)内的潜在相互作用:节点代表细胞集群,边缘线表示重要配体-受体配对的数量。

三种蜕膜NK细胞

研究人员定义了三种NK细胞的亚群(dNK1、dNK2、dNK3),这三种细胞亚基可以共同表达CD49A和CD9。研究人员发现,dNK1细胞可以识别并应答EVT细胞(绒毛外滋养细胞)。通过流式细胞分选与吉姆萨染色等实验,研究人员发现与dNK2和dNK3细胞相比,dNK1细胞含有更多的胞浆颗粒;同时,dNK1细胞含有更多的有关糖酵解相关的酶。首次怀孕与NK细胞表达低水平的LILRB1有关,同时更与出生体重低、疾病的发生有关,如子痫前期[3]。总之,这些数据表明首次怀孕与dNK1细胞的启动有关,对于进一步的胎盘植入更为重要[4]。

图3. 定义三个dNK子集相对表达的热图

妊娠早期免疫调节

dNK1细胞表达更高水平的CSF1(CSF1在EVT与巨噬细胞中表达的受体),相反,dNK2和dNK3细胞表达高水平的XCL1和CCL5,CCR1为CCL5的受体,主要负责调节EVT的入侵。XCL1-XCR1配基与受体复合物的表达模式可以代表着dNK2与dNK3;EVT与DC1之间的关系,DC1的招募是由自然杀伤细胞调节的。研究人员发现DC1水平的上调可能导致蜕膜CD8+T细胞的扩增,但是PD1的共表达又暗示着T细胞激活受限。

图4. 配体与受体相互作用的概述:通过分析mRNA水平来推测蛋白分子的相互作用

与此同时,研究人员还预测蜕膜的免疫微环境可以防止炎症反应,而这种炎症反应是由滋养细胞侵袭和滋养层的螺旋动脉的平滑肌间质损伤引起的。蜕膜巨噬细胞的亚群表达一些免疫调节分子,如IL10,一种由EVT细胞、母体内皮细胞、间质细胞以及骨髓细胞表达的受体。dNK1细胞表达更高水平的SPINK2,而dNK2和dNK3表达高水平的ANXA1[5]。这些基因都编码与抗炎症有关的蛋白。dNK1能够表达CD39,CD39与CD37共同将ATP转化为腺苷,从而阻止免疫激活。CD73在上皮腺和EVT中的表达很高,腺苷的受体ADORAS在巨噬细胞中表达[6][7],如图5。

图5. 参与免疫调节的三个dNK亚群上主要受体和配体相互作用示意图

上个月,在发表在Science Advances的一篇文章中,研究人员对来自于8个人的14341个胎盘绒毛细胞的进行了RNA测序,发现了20多种主要的细胞类型以及亚型,同时强调了一些关键的调节特征、细胞相互作用动力学和细胞亚型动力学。这些特征描绘着孕早期胎盘组织的细胞特征。例如,研究人员看到了妊娠早期绒毛外滋养层细胞的抗炎活性向滋养细胞过渡,这表明这些过渡细胞随着妊娠反应侵袭性也越强。

结语

此前研究数据显示,育龄女性的流产发生率在10%~15%之间,这不是个小概率事件。很多研究发现,胎盘中多种表观遗传修饰能够影响胎盘的正常功能,子痫前期等妊娠疾病的发生都与胎盘异常有关。本文为我们阐明了在一个相对和平稳定的环境中,母胎界面是如何受到免疫反应的抑制。在怀孕期间,一些病毒的入侵会使免疫反应受限。通过单细胞转录图谱及转录组测序,作者预测了配体与受体之间的相互作用以及检测免疫相关基因的表达。这我们提供了一个强大的框架,为用于评估感染期间早孕的情况提供了坚实可靠的理论基础。

此外,该研究对癌症领域也有一定意义。肿瘤细胞可以利用类似的机制逃避免疫系统,提取新鲜血液供其生长。正如文章通讯作者Sarah Teichmann博士所述:“首个人类妊娠早期细胞图谱为我们提供了发育初始阶段的重要参考图,它将改变我们对健康发育的认识,并帮助我们理解胎盘和母体细胞如何更好的沟通以支持妊娠,以及阐明各种妊娠障碍和癌细胞逃逸途径。”

参考资料:

[1] Zheng, G. X. Y. et al. Massively parallel digital transcriptional profiling of single cells. Nat. Commun. 8, 14049 (2017).

[2] Burton, G. J. & Watson, A. L. The structure of the human placenta: implications for initiating and defending against virus infections. Rev. Med. Virol. 7, 219–228 (1997).

[3] Moffett, A. & Colucci, F. Co-evolution of NK receptors and HLA ligands in humans is driven by reproduction. Immunol. Rev. 267, 283–297 (2015).

[4] Gamliel, M. et al. Trained memory of human uterine NK cells enhances their function in subsequent pregnancies. Immunity 48, 951–962 (2018).

[5] Sato, Y. et al. Trophoblasts acquire a chemokine receptor, CCR1, as they differentiate towards invasive phenotype. Development 130, 5519–5532 (2003).

[6] Takenaka, M. C., Robson, S. & Quintana, F. J. Regulation of the T cell response by CD39. Trends Immunol. 37, 427–439 (2016).

[7] Vijayan, D., Young, A., Teng, M. W. L. & Smyth, M. J. Targeting immunosuppressive adenosine in cancer. Nat. Rev. Cancer 17, 709–724 (2017).

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本文由 测序中国 作者:白云 发表,转载请注明来源!

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