热图单细胞测序

文献学习016--[sc]心衰及恢复期的成人心脏单细胞重建揭示心

2022-01-18  本文已影响0人  Hayley笔记

这一篇是胡盛寿院士和王利老师合作的文章

思路总结：

1. Overview of the cell composition of the normal adult human heart

Fig 1a：取了左心房和左心室的组织(保留了心耳)。灌流得到心肌，消化得到非心肌，对得到的细胞进行单细胞测序。
Fig 1b：得到的心肌细胞活性较好。Calcein: 活细胞染料；Ethidium: 死细胞染料；Actn2: 心肌细胞marker
Fig 1c：质控后得到7495个细胞，分为5个大群。
Fig 1d：五个细胞群marker基因的热图

2. Spatiotemporal characterization of CMs at single-cell resolution

对3894个心肌进行更进一步的分析

Fig 1a b：左室和左房的心肌各分为了五个群 (LA1–5和LV1–5)，还有一群同时存在于LA和LV的细胞被命名为AV群，共11群。（A图的颜色没有图注呢）
Extended Data Fig. 4a-d：对LA1-5和LV1-5做了marker基因热图和marker基因的富集分析。LA亚群的功能存在差异，包括muscle contraction, metabolism, immune response, response to external stimulus等；LV的亚群功能较为相似，都主要与muscle development相关。
Fig 2c d：免疫荧光染色验证了LA1，LA2，LV1和LV3群的存在。marker是从Extended Data Fig. 4a c里面挑的marker基因。（为什么只验证了这四群？但是可以明显看到LV2群是没什么特异性marker基因的，这种细胞群应该也没法做验证）

These results were in accordance with the major function of the LV as a pump, and highlighted additional roles of LA CMs beyond contraction.

Fig 2e f：LA, LV和AV的差异基因热图和LA, LV的marker基因富集分析图。LV和LA都有比较特异性的功能，AV没有。而且LV和LA的差异基因都显著富集到了muscle contraction，LV也出现了代谢通路的富集，而LA出现了细胞交互相关通路的富集。
Fig 2g：但是LV和LA关于心肌收缩的marker基因的表达是存在差异的。LA CMs高表达MYH6, MYL4, MYL7和TNNI1，而LV CMs 高表达MYH7, MYL2, MYL3和TNNI3，suggesting differences in the assembly of their contraction apparatus。
Fig 2h：代谢相关的基因在LV中表达高，提示LV的高氧耗。
Fig 2i：Secreted and membrane相关基因在LA高表达，提示LA细胞更多的参与到了心肌与其他细胞的交互作用中。

Fig. 2 Extended Data Fig. 4 Fig. 3
3. Functional diversity and compartment-specific roles of NCM subtypes

在对心肌做完了分析之后，对NCM也做了分析。

Fig 4a b：EC分成了4群
Extended Data Fig. 5 a b：MP分成了3群，FB分成了3群，SMC分成了4群。
Extended Data Fig. 5 c：NCM的比例饼图，提示批次效应较小。

Extended Data Fig. 5

Fig 4 c d：4群EC的差异分析和富集结果
Fig 4 e：EC3的marker ACKR1和EC的marker PECAM1共染确认了EC3这群细胞的存在
Fig 4 f g h：MP FB SMC亚群的功能富集
Fig 4 i j：LV和LA所有细胞群的互作分析。LV中EC3和其他细胞的互作频率最高，LA中FB1和其他细胞的互作频率最高。尽管有些受体配体的重合，LV和LA都各有其独特的互作受体配体，提示LV和LA之间的细胞存在不同的互作模式。

Fig 4
4. Compartment- and aetiology-specific alterations of CMs in HF

心衰是各种心脏疾病的终末阶段，为了更近一步了解心衰的细胞图谱，作者对6个HF患者的LA和LV的5933个细胞进行了单细胞测序。样本来自扩心病(dHF)或冠心病(cHF)引起的心衰患者。

Fig 5 a-d：和正常心脏一样，心衰患者的心脏细胞分为了5个细胞群(a)，5个细胞群又分为了36个亚群(b)。正常和衰竭心脏的细胞还是存在一定差别，尤其是LV细胞(c d)。
Fig 5 e d：cHF, dHF和N CM的差异和富集分析。cHF主要富集到protein targeting和能量代谢，dHF主要富集到muscle system processes。
Fig 5 g-i：免疫荧光验证前面的gene alteration
Fig 5 j k：转录因子预测发现TCF7L2和CEBPD在cHF和dHF中均下调
Fig 5 l m：这两个图。。。在文章里没有描述？？？是漏掉了吗？？？

5. Active engagement of NCMs in HF

cHF细胞互作分析，和之前那篇circulation（单细胞轨迹重建揭示病理性心肌肥厚干预原则）一个思路。
Fig 6 a：和正常CM相比，cHF中上调和下调的细胞群
Fig 6 b c：重合的ligands的富集分析结果和热图
Fig 6 d：变化的ligands之和最多的细胞群

Fig 6

直接比较cHF和dHF
Fig 7 a：和dHF相比，可以看到cHF的FB4和SMC5增加，FB3？和EC3下降。
Fig 7 b：HF和normal相比上调（红色）和下调（蓝色）的互作map。
Fig 7 c：差异性细胞互作数目的统计图，EC3和别的细胞群的互作数目是最多的，提示它在细胞互作中可能起到核心地位。
Fig 7 d：EC3分泌的top ligands比如GSN，与维持心脏收缩功能有关，提示EC3在成人心脏中可能起到保护作用。
Fig 7 e f：和前面的结果一致，和healthy donors相比，EC3 (ACKR1+)在HF中的比例明显减少（27.56% versus 69.19%）
Fig 7 g：前面的结果提示EC3在正常和衰竭的心脏中都起到了重要作用，提示CM和NCM在正常和心衰中可能出现了overall changes。所以作者计算了CM, ECs, FBs和MPs细胞相似性，发现ECs, FBs和MPs的细胞相似度降低。

Collectively, these observations support a model in which NCMs experience substantial changes during the loss of normal heart function (that is, HF) that may direct disease progression and prognosis.

Fig 7
6. Single-cell characterization of the recovery of cardiac function

Fig 8 a：为了进一步验证这个理论，作者对两个HF患者LV assist device (LVAD) 前和后的左室活检样本进行了单细胞测序。
Fig 8 b：所有细胞的tsne图，分为5个大群。(CM, EC, FB, MP and T)
Fig 8 c-e：recovery indices提示采集自LVAD1的CMs, ECs和FBs在治疗后恢复，LVAD2的这些细胞则在治疗后保持不变，甚至更加恶化。此外，ECs的recovery index在治疗后的变化幅度比其他细胞类型都要大。

recovery indices怎么算的没看懂，后面可以研究一下

Fig 8 f-h：LVAD1的各细胞类型的治疗后转录曲线和正常心脏类似，这可以解释患者恢复的心功能。
Fig 8 i：基于基因表达分析，治疗后LVAD2的CMs和HF的CMs更相似，而LVAD1的CMs和正常的CMs更相似。此外，治疗后的LVAD1出现明显的HF特征消失并重新获得了大多数的正常心脏的特征基因。
Fig 8 j：在治疗后的LVAD1的CM中变化的基因富集到代谢，肌肉收缩和发育相关通路。

Fig 8 k：为了证实EC3细胞群在心脏稳态中具有重要作用，作者使用流式从正常心脏中分选了ACKR1+ ECs (EC3)，并且在对小鼠做了surgical ligation诱导的MI造模之后立刻将EC3回输了回去。
Fig 8 l-n：和PBS组相比，回输了ACKR1+ ECs的小鼠在术后2w出现了明显的心功能(EF值)增强和纤维化减轻。
Fig 8 o p：和PBS组相比，回输了ACKR1+ ECs的小鼠在术后2w 梗死区和边缘区出现明显的血管密度增加(CDH5+)。
这些结果提示NCMs，尤其是EC3在心脏稳态和疾病中的重要作用，提示在预防和治疗心脏疾病的时候，NCM可能是很好的治疗靶点。

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