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赋能科研 | Nature一作详解基于华大智造DNBelab C4的首个非人灵长类动物全身器官细胞图谱研究

时间:2022-04-26作者:华大智造阅读数:239分享

近日,由深圳华大生命科学研究院主导,多国科研团队合作在Nature上发表了文章Cell transcriptomic atlas of the non-human primate Macaca fascicularis,共同绘制了首个非人灵长类动物(猕猴)全身器官细胞图谱。基于华大智造DNBelab C系列高通量单细胞RNA文库制备试剂盒(DNBelab C4)和DNBSEQ测序平台,研究人员对猕猴的45个组织约114万个细胞进行单细胞测序分析,获得了世界上首个非人灵长类动物全身器官细胞图谱。该图谱将被用于物种进化、人类疾病以及药物评价和筛选相关的研究,为生物医学的发展提供基础性的资源和工具,为疾病诊疗、靶向药物开发提供助力,为人类更好地探究生命的进化提供可能。

华大智造特邀文章第一作者、韩磊博士对该文章进行详细解读。

1、文章题目:Cell transcriptomic atlas of the non-human primateMacaca fascicularis

2、发表时间:2022年4月13日

3、发表期刊:Nature

4、主要研究团队:本研究由深圳华大生命科学研究院联合北京华大生命科学研究院、深圳国家基因库、吉林大学、中国科学院广州生物医药与健康研究院、瑞典卡罗林斯卡医学院、英国剑桥大学、西班牙ICREA研究所、新加坡ASTAR等来自6个国家的35个科研团队共同参与完成。

5、DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-022-04587-3




研究背景

21世纪初,人类基因组草图的问世为生命科学研究谱写了一本生命“天书”,为生命的数字化提供了基础。然而,遗传信息是由细胞携带的,目前,人类对自身细胞的认识还很有限,全面解码细胞的数字化特征将推动生命科学的研究,为生物医学的发展提供基础性的资源和工具。为此,我们将目光投向了和人的基因相似度高达93%的猕猴,绘制了一张猕猴的全身器官的细胞图谱。


研究方法

基于华大智造的可方便携带、易上手操作、低建库测序成本的DNBelab C4平台,研究团队对成年猕猴的45个组织进行了单细胞核/单细胞转录组(sn/scRNA-seq)测序,同时辅以单细胞染色质可及性(scATAC-seq)测序,原位杂交,免疫组化等实验方法。详细分析了共有细胞组织特异性分子,成年潜在干细胞类型,病毒易感细胞类型数据库和人类表型和疾病变异的细胞定位图谱。与此同时,我们搭建了非人灵长类动物百万单细胞交互式资源网站(https://db.cngb.org/nhpca/),为生物医学的发展提供一个基础性的资源和工具,为疾病诊疗、靶向药物开发提供助力,为人类更好地探究生命的进化提供可能。


研究成果


01 绘制猕猴全身器官细胞图谱


我们对成年猕猴的45个组织进行了单细胞/单细胞核测序分析,共获得约114万个高质量的单细胞/单细胞核数据。经过聚类注释,可将这些细胞分成113种主要的细胞类型和463种细胞亚类(图1)。通过这个图谱,我们不仅可以找到组织特异型细胞标记基因还可以找到各个组织共有细胞类型(骨骼肌细胞,内皮细胞,基质细胞,巨噬细胞,平滑肌细胞)的组织特异性标记基因。也就是说,就算形态学上判断为相同类型的细胞,在不同组织中也会存在部分基因的表达量存在差异(图2),这对于了解这些共有细胞在不同组织中功能的差异提供了分子层面的证据。


图1 猕猴全身器官细胞图谱


图2 不同组织中的骨骼肌细胞存在基因表达差异


02 发现器官中的前体细胞,为器官损伤修复提供方向


我们还发现了多种存在于各个成年组织中的前体细胞,这些前体细胞表达一些干细胞(Stem cell)的基因(图3a),可能可以为之后各类器官损伤修复提供细胞来源,为哺乳动物组织再生研究提供新的思路。


以肾脏为例,我们发现肾脏的肾小管细胞中均有不同比例的细胞表达干细胞特征基因LGR5(图3d),其中,远端曲部肾小管(DCTC)的比例最高,超过30% 的DCTC细胞表达LGR5。


图3 肾脏细胞表达干细胞特征基因LGR5


此外,通过对肾脏单细胞表观组数据的分析,我们发现DCTC在LGR5基因位置区域具有较强的染色质开放性,从表观组学上进一步支持了LGR5在DCTC这种细胞上的特异性高表达。


03 为预防和治疗

病毒性传染病及遗传疾病提供数据支持


基于该图谱,我们构建了包含新冠、乙肝、狂犬病毒等126种病毒易感细胞类型的病毒数据库,这就像一本“病毒字典”,可以通过它快速查询病毒最有可能侵染的细胞类型,同时看到该细胞类型可能分布的器官(图4)。


图4 病毒易感细胞类型“字典”


以新冠为例,除了大家熟知的肺泡细胞外,我们发现新冠病毒受体ACE2还在胰腺、肾脏、胆囊、视网膜甚至睾丸的特定细胞类型中表达(图5),这预示着新冠病毒同样有可能通过感染这些细胞,造成对应组织/器官受损。医生在检查新冠肺炎确诊患者肺部情况的时候,可能也会同步检查肾脏、胰腺和胆囊等器官。因为这几个器官同样分布有新冠病毒可能感染的细胞。


图5 新冠病毒受体ACE2在各个细胞类型中的表达


此外,我们还构建了人类疾病关联基因富集细胞图谱,人们可输入特定遗传疾病的致病基因或遗传位点来查询该疾病可能的致病细胞类型(图6)。数据显示,在神经疾病相关的遗传位点,往往在神经系统相关类型细胞上富集。免疫系统疾病相关的遗传位点,会较多富集在各类免疫细胞上。表明构建的猕猴单细胞图谱可预测人类遗传性状和疾病的关联细胞,助力精准预防或治疗单基因甚至复杂遗传疾病,特别是神经系统疾病的发病机制提供数据支撑。


图6 人类疾病关联遗传位点富集细胞类型图谱


结论与展望

大规模细胞图谱的绘制工作,对于我们理解器官结构组成、胚胎发育和衰老、人类疾病及生命演化等都具有重要的意义。未来我们还将开发更高通量的单细胞技术以及具备空间分辨率的多组学技术,为全面构建生命单细胞分辨率的时空图谱提供重要工具。同时细胞图谱数据正在迅速增长,其中蕴含巨大的信息量。这些数据解读和挖掘工作需要全球科学家的共同协作和努力。



本研究由深圳华大生命科学研究院联合北京华大生命科学研究院、深圳国家基因库、吉林大学、中国科学院广州生物医药与健康研究院、瑞典卡罗林斯卡医学院、英国剑桥大学、西班牙ICREA研究所、新加坡ASTAR等来自6个国家的35个科研团队共同参与完成。韩磊、魏小雨、刘传宇、庄镇堃、邹轩轩、王智锋和Giacomo Volpe为该论文的共同第一作者,刘龙奇、徐讯、侯勇和Miguel A. Esteban为论文的共同通讯作者。本研究已通过伦理审查,严格遵循相应法规和伦理准则。