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本期我們將聚焦一種很新的單細胞研究形式，運用開源數據庫數據揭示了特異性內皮細胞轉錄組的獨特特征。

研究背景

內皮細胞（ECs）構成了血液和淋巴管的內膜。ECs通過調節血流、血漿載大分子的輸送、血管的形成和循環血細胞的粘附在組織內穩態中發揮著關鍵作用。ECs根據其所在的血管和組織的不同，存在著很大的功能異質性。雖然這些功能上的差異可能在轉錄組水平上有所表現，但維持ECs異質性的機制和其他可能相互作用的途徑目前還不清楚。

針對此問題，來自斯坦福心血管研究所的David T. Paik團隊應用單細胞測序實驗數據，對來自12種主要組織和器官的內皮細胞進行剖析，揭示了組織特異性ECs和其他細胞類型之間潛在的血管分泌相互作用。

論著題目：Single-cell RNA-seq Unveils Unique Transcriptomic Signatures of Organ-Specific Endothelial Cells

發表期刊：Circulation

影響因子：39.9

實驗設計

實驗方法：利用Tabula Muris數據庫對C57BL/6小鼠的12種主要組織或器官（脂肪組織、主動脈、大腦、膈肌、心臟、腎臟、肝臟、肺、乳腺、胰腺、骨骼肌、氣管）進行分析

主要實驗技術：scRNA-seq、microarray data analysis、Immunofluorescence

實驗結果解析

01 組織特異性內皮細胞的異質性和分子特征

為了探究組織特異性ECs之間的差異，研究團隊將Tabula Muris小鼠單細胞開源數據庫中12種組織和器官的測序數據進行重新分析，結果發現來自大腦、腎臟、肺和肝臟的ECs似乎具有獨特的轉錄組特征，而來自脂肪組織、心臟和主動脈的ECs在基因表達上出現了更多的相似性，表明不同的器官中的ECs可能具有不同程度的功能專門化。

圖1.從Tabula Muris數據庫中提取的12個主要器官內皮細胞的單細胞轉錄組數據

為了定義組織特異性ECs的標記物，研究團隊檢測了各器官ECs中排名前十的差異基因。如上所示，大腦和肝臟的ECs表達獨特的基因集，而這些基因幾乎無法在其他器官的ECs中檢測到。相反，表征心臟、膈肌、脂肪組織、骨骼肌和乳腺ECs的差異基因則沒有那么特異。這些發現證實了scRNA-seq在識別組織特異性ECs的轉錄組特征方面的效用。

圖2.器官特異性內皮細胞差異表達基因的鑒定

02 器官特異性血管分泌因子與配體受體相互作用

基于已識別的器官特異性ECs差異基因，研究團隊進行了pathway分析（應用KEGG數據庫），發現了來自不同器官的ECs中共有的和獨特的細胞通路，然而在器官特異性ECs中，大多數調控共同通路的基因都是不同的。

此外，基于ECs能夠分泌特異性血管分泌因子，介導組織內穩態和功能的作用，研究團隊嘗試分析了每個器官中ECs表達的獨特血管分泌因子。從ECs單細胞轉錄組數據中，他們發現了ECs和12個器官中所有測序的實質細胞類型之間潛在的配受體對，例如，Wnt信號在來自大腦、心臟、肝臟和肺的ECs中表達高度上調，但在器官特異性ECs中，參與Wnt信號調控的基因是不同的。

圖3. 通路富集與血管分泌關系預測分析

03 ECs亞群的subCluster分析

研究團隊使用subCluster分析來識別ECs的細分亞群，發現它們可能獨立于胚胎組織，并確定了13個ECs亞群，且不同亞群在每個器官的百分比和絕對數量存在差異。

圖4. subCluster揭示ECs的亞種群

04 器官特異性內皮細胞轉錄組的性別差異

為了確定性別對ECs基因表達的影響，研究團隊進行了進一步聚類分析，結果發現一些組織（如主動脈、腦、肺）的ECs亞簇幾乎完全由來自單一性別，而其他組織（脂肪組織、心臟、腎臟）的ECs亞群在性別間分布更均勻。

圖5. 組織特異性ECs基因表達的性別差異

有趣的是，基因Lars2的表達是雄性小鼠內皮細胞所特有的。這些發現表明，在某些組織中存在著具有性別特異性的ECs子集，性別可能是組織特異性ECs轉錄組變異的一個重要來源。

圖6. Lars2的表達是男性內皮細胞所特有的

05 小鼠與人內皮基因表達的相關性

那么這些發現，在人類ECs中是否成立呢？為了確定在小鼠ECs中的發現與人類內皮生物學的相關性，研究團隊將小鼠數據與人類胎兒器官（如心臟、腎臟、肝臟和肺）中分離的ECs bulk RNA-seq數據進行了聯合分析，當比較來自同一器官的ECs時，成年小鼠和人類胎兒ECs基因表達的相關性往往最強。這些發現表明ECs中組織特異性的轉錄組學表現在小鼠和人類之間相對保守。

圖7. 小鼠對人體器官特異性EC轉錄組的翻譯

全文總結

該研究使用Tabula Muris scRNA-seq數據，發現了維持組織特異性ECs的轉錄組特征網絡，并明確了組織特異性ECs之間的新型血管分泌和功能關系。

本研究詳細信息參見原文鏈接：doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.119.041433.

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