牙齒發育是一個長期且復雜的生物學過程，包括形態發生、組織礦化和牙齒萌發等一系列過程，其中涉及細胞分化，細胞交互，如上皮-間充質相互作用（EMT）。這些過程受各種信號分子的調節，然而現階段對細胞間調節網絡知之甚少。

本期文獻解讀，小編為您帶來上海第九人民醫院王紹義研究團隊（施越琦為第一作者），于2021年10月發表在Cell and Bioscience(IF=7.134）上的文章  ——應用單細胞測序技術，解析牙胚發育信號通路，文章題目為A single-cell interactome of human tooth germ from growing third molar elucidates signaling networks regulating dental development。

烈冰生物參與本研究中的單細胞測序工作，下面我們一起了解一下本文的研究思 路和數據分析過程。

樣本信息

實驗樣本：患者左下頜第三磨牙。

實驗分組：stageA：stageD=1：1 。

牙胚發育狀態（Demirjian等人提出的stageA~H評分評估第三磨牙的發育狀態）：stageA（牙尖鈣化，沒有其他鈣化點的合并），stageD（牙釉質牙連接處牙冠完全形成）。

單細胞捕獲平臺：BD Rhapsody 平臺

捕獲細胞數：共9855個細胞

分析思路

結果分析

1. 人牙胚細胞類型鑒定

作者利用單細胞測序技術，共獲得了9855個細胞，劃分為11個cluster，主要包括免疫細胞（T細胞，中性粒細胞，巨噬細胞，單核細胞和樹突狀細胞）約占總數的83%，成骨細胞，破骨細胞，周細胞和內皮細胞。此外還發現了一種異質性基因（SOX9+）細胞群體（分為牙頂端乳頭干細胞（APSC）和成釉細胞）。

圖1人牙胚細胞類型及異質性SOX9⁺細胞群體

2. T細胞亞群及其細胞間相互作用模式

從單細胞數據分析中發現在總細胞中有42%的細胞為T細胞，進一步探究T細胞類型，利用Seurat聚類分析得到了8個T細胞亞群（圖2A-D）。CellphoneDB分析發現T細胞亞群與其它細胞（釉細胞，破骨細胞間和單核細胞等）存在非常強的信號轉導關系，但細胞間的信號轉導通路存在顯著差異（圖2E-G）。

圖2 T細胞亞型及其細胞相互作用模式

3. 中性粒細胞亞群及其細胞間相互作用模式

接下來，作者對中性粒細胞進一步細分獲得了7個細胞亞群，細胞通訊分析發現中性粒細胞與內皮細胞存在較強的相互作用，特別是抗病毒中性粒細胞與內皮細胞相關性最高——通過CEACAM1-to-SELE通路介導中性粒細胞活化和遷移。

圖3 中性粒細胞亞型及其細胞相互作用模式

4. 成熟成骨細胞間發育信號網絡調控

作者進一步利用擬時序分析來探究成骨細胞的成熟過程，發現與成熟成骨細胞功能相關的基因OGN迅速增加，調節成骨細胞增殖的基因PTCH1、SCUBE3逐漸減少；Bone Morphogenetic Protein(BMP)信號通路下調表達，bone growth信號通路上調表達。另外利用Nichenetr網絡分析預測了成骨細胞間的相互作用配受體作用，并發現TGFBR1，FGFR3和TGFBR2與大多數關鍵基因相關。更進一步利用SCENIC分析發現8個關鍵成骨細胞系的基因（PTCH1, BMP7, EGR2等)。綜上表明作者發現了一個參與調節成骨細胞分化的基因調控網絡。

圖4 調節成骨細胞分化的細胞間信號網絡

5. APSC再生信號通路網絡

APSC具有自我更新和增殖的能力，利用擬時序分析對APSC整個細胞周期變化進行預測，作者發現ASPC再生時存在再生相關基因（SERPING, DKK3和HSPA1B）的表達，進一步利用差異基因表達分析，Nichenetr分析及SCENIC等分析，作者發現在APSC從靜息態重新進入分裂期的過程中，與間充質細胞增殖相關的基因顯著上調，與腫瘤壞死因子生物合成和糖胺聚糖分解代謝相關的基因顯著下調，BMP-FGFR-MSX1通路在ASPC再生中起到了重要的作用。

圖5 APSC細胞再生信號通路網絡

6. 破骨細胞發育的信號網絡

在牙齒和其他骨組織中，單核細胞和巨噬細胞可以不斷轉化為破骨細胞。作者通過差異表達基因分析及Nichenetr分析，發現BPMR1A和CSF1R主要在巨噬細胞和破骨細胞中表達，而TNFRSF1B和NOTCH1主要在單核細胞中表達，成骨細胞和巨噬細胞轉化受不同信號通路調節，并發現了3個轉錄因子(EGR1, TCF4, SMARCA1)的特異表達。

圖6 破骨細胞發育信號通路網絡

總·結

該研究中鑒定了人牙胚細胞類型，發現了免疫細胞在牙齒發育過程中不僅起到了抵御病原物的作用，還分泌一些蛋白調控牙齒發育。此外，作者發現了調控牙齒發育的關鍵信號通路——BMP-FGF-MSX1信號通路。構建了人牙齒發育過程中的細胞間信號網絡，為今后的牙齒再生工程和理解口腔病理學提供了新見解。

原文鏈接

https://doi.org/10.1186/s13578-021-00691-5