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赋能科研︱DNBelab C4单细胞建库+DNBSEQ-T7测序,助力构建首个家猪多器官组织单细胞转录图谱

时间:2022-07-26作者:华大智造阅读数:336分享

2022年7月12日,由深圳华大生命科学研究院Lars研究所罗永伦教授和丹麦奥胡斯大学林琳教授联合国内外多个研究团队,于近日发表在Nature Communications(影响因子17.694)的首个家猪组织器官单细胞转录图谱论文“Endothelial cell heterogeneity and microglia regulons revealed by a pig cell landscape at single-cell level”作为Editors’ Highlights入选《自然通讯》杂志 “From molecules and cells to organisms” 专题。


图1《自然通讯》近期50佳亮点论文部分截图


该研究中使用了华大智造自主开发的高通量单细胞RNA文库制备试剂盒(DNBelab C4)和DNBSEQ-T7测序平台,助力首次构建了家猪多个组织和器官的单细胞转录组图谱,并揭示了血管内皮细胞在组织器官内的功能异质性和大脑小胶质细胞遗传保留转录调控网络,对促进模式猪在异种器官移植和生物医药领域的应用提供关键科研资源和科学基础。

研究背景


家猪(Sus scrofa domesticus)是生物医药研究、新药开发、研究人类复杂疾病机理的的关键模式大动物之一。同小型模式动物相比,猪大脑结构与人类更加接近,因此也是被认为研究人类大脑和退行性神经疾病的重要大动物模型。由于猪器官在大小、结构、生理功能、和遗传学等方面都与人类器官非常接近,也是被公认为解决器官紧缺医学问题的最佳异种器官移植供体[1,2]。通过基因编辑和克隆技术,疾病模型猪已经被成功应用于杜氏肌营养不良症(Duchenne muscular dystrophy)、亨廷顿病(Huntington’s disease)、糖尿病(Diabetes)等[3-5]。


今年初,首例将基因编辑猪的心脏成功移植到绝症患者体内试验也在美国马里兰大学医学院成功进行。但是,由于目前缺乏对猪组织器官细胞异质性和基因表达调控的了解,疾病模型猪的表型和异种器官移植的临床表现依然有待改进[6, 7]。因此,深入认识并阐明家猪组织器官细胞异质性和基因表达调控机制是促进模式猪在生物医药领域的应用和异种器官移植的重要手段。

技术路线


图2 研究技术路线


01 研究亮点:家猪多器官组织单细胞转录组图谱


目前,多个模式动物的单细胞转录图谱陆续被完成,为填补了家猪在这一研究领域的空白,研究使用DNBelab C4单细胞核转录组(snRNA-seq)建库、单细胞转录组(scRNA-seq)建库及DNBSEQ-T7进行测序,获得了20个组织器官中222,526个细胞的高质量单细胞/细胞核转录组数据(图3a-d)。结合单细胞转录组聚类分析,降维可视化(tSNE),和基因功能富集分析,共鉴定了234种表达特异性细胞聚类和58种细胞类型(图3e-f),并进一步构建了可视化家猪单细胞转录组数据库(Pig Single Cell Atlas Database)[8]。


图3 家猪单细胞转录组图谱

(图源:WangF,et al.Nat Commun, 2022)


02 研究亮点:TGF-β2信号通路在EndMT转分化中起关键作用


此外,研究结合前期对小鼠和人内皮细胞异质性研究的基础[9-10],通过细胞类型特异性表达基因筛选方法,对脂肪内皮细胞进行了更加深入的研究,并通过拟时序分析(pseudotime analysis),免疫荧光染色,和定向诱导分化实验发现和验证了依赖于TGF-b2信号通路的内皮间质转分化(endothelial-to-mesenchymal transition,EndMT)细胞类型(图4d-f)。这些数据表明:在家猪组织和器官中,内皮细胞也存在着高度的功能异质性,为进一步利用模式猪研究人类心血管疾病和改善异种器官移植免疫排斥反应提供关键基础数据。


图4 猪组织中内皮细胞的单细胞转录组分析

(图源:WangF,et al.Nat Commun, 2022)


03 研究亮点:跨物种小胶质细胞单细胞转录组数据对比


除此之外,作者还通过小胶质细胞作为研究对象,对家猪、人、小鼠、蜥蜴等13个物种的大脑小胶质细胞单细胞转录组数据,利用基因调控网络推断(GENIE3)方法系统研究小胶质细胞在进化过程中的转录因子调控网络(图5a-e)。作者发现MEF2C等核心转录因子以及其调控基因在小胶质细胞的演化中具有保守性(图5f-g)。虽然该研究没有对这些核心转录调控网络的作用机制和其它大脑细胞类型进一步深入研究,但是,针对小胶质细胞转录调控网络分析表明:MEF2C转录调控可能小胶质细胞分子遗传进化过程中起到非常关键的作用。


图5基于单细胞转录分析大脑小胶质细胞在进化过程中的保守性转录调控网络

(图源:WangF,et al.Nat Commun, 2022)


原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-31388-z
深圳华大生命科学研究院Lars研究所和奥胡斯大学王飞博士、中国科学院大学硕士研究生丁佩文青欧与哥本哈根大学联合培养博士生梁雪、奥胡斯大学博士生丁香凝,和奥胡斯大学博士生Camilla B. Brandt为该论文共同第一作者。



高通量测序平台助力单细胞组学

进入规模化研究时代


随着单细胞测序技术的发展,单细胞组学研究也已经进入了超高通量、超大规模的研究阶段。华大智造自主可控的国产化单细胞建库平台DNBelab C4搭配DNBSEQ-T7高通量测序平台打破了单细胞研究门槛高的瓶颈,提供了稳定、经济、便携的一站式产品组合(图6)。



图6 DNBelab C4+DNBSEQ-T7助力规模化单细胞组学研究