细胞的功能是由它的内在特征和它的微生态(其所处的组织微环境)所决定的。单细胞转录组测序能够提供丰富的信息来表征这些细胞，而空间转录组又能补充单细胞技术下丢失的结构信息，帮助我们深入了解细胞群的功能。

2023年7月，来自英国剑桥大学的研究团队在Nature杂志上发表题为“Spatially resolved multiomics of human cardiac niches”的研究文章，该研究揭示了人类心脏的八个区域中的多种不同状态的细胞类型以及它们的功能与互作调控，同时，开发了一个药靶预测工具，明确了心脏起搏细胞在作为一些药物靶标细胞的角色下的重要意义。

 

研究材料

25名不同年龄阶段无心脏疾病或心律失常史志愿者的组织样本

 

技术路线

步骤1：单细胞空间转录组下人类心脏的多模态分析；

步骤2：心肌细胞的染色质开放区景观；

步骤3：细胞微生态的无偏发现；

步骤4：心脏传导系统细胞的离子通道分布与GPCR图谱；

步骤5：P细胞的基因调控网络；

步骤6：组织学节点结构中的谷氨酸能信号传导和神经支配；

步骤7：以单细胞的分辨率进行药物靶向预测；

步骤8：心脏外膜以及压力状态下的心室心肌微生态。

 

研究结果

1. 人类心脏的多模态分析

作者对来自25名年龄从20岁到75岁不等，无心脏疾病或心律失常史的捐赠者的不同部位的组织样本进行了单细胞核RNA测序、单细胞核ATAC测序和空间转录组测序，并整合了以往的研究数据，最终数据包含八个解剖区域：左、右心室(LV和RV)、左、右心房(LA和RA)、心尖(AX)、室间隔(SP)、SAN和AVN。共定义到12种细胞大类下的共计75种不同细胞状态的细胞，包含多个亚类的起搏细胞（P细胞）、浦肯野细胞、胶质细胞、成纤维细胞和髓系细胞等。

图1 成人心脏的多模态分析
 

 

2. 心肌细胞的染色质开放区景观

对于snATAC-seq的数据，12个细胞大类在UMAP中能够清晰地定义出来，这表明每种心脏细胞类型具有不同的染色质可及性模式，其中观察到一个心肌细胞亚群vCM3_stressed具有高度异质性的染色质开放模式。

由于全基因组关联研究(GWAS)发现的常见SNPs通常位于非编码区，作者通过计算开放染色质区域中GWAS性状相关SNPs的富集程度，将细胞类型与心血管性状联系起来：对于与疾病相关的SNPs，vCMs富集了心肌病相关的SNP；肥厚性心肌病(HCM) SNP也在aCMs中富集。相反，心房颤动SNP在CCS（心脏传导系统）细胞、aCM2细胞和vCM3细胞中显著富集，强调了心房和心室功能的相互依赖性，证明心室功能异常可能驱动心房纤颤。

图2 成人心脏细胞微生态的鉴定

 

3. 细胞微生态的无偏发现

为了解微观解剖结构的细胞组成，作者使用cell2location将sc/snRNA-seq分析定义的75种细胞状态映射到空间转录组学数据，并结合H&E图像进行组织结构注释，观察到转录组定义的细胞类型与结构的映射得到了证实。此外，作者结合非负矩阵分解（NMF）算法，观察到SAN切片中独特的微生态结构：中心区域含有P细胞、活化的成纤维细胞和胶质细胞，而外周区域则富含组织驻留的巨噬细胞和其他成纤维细胞等，表明人类SAN中心区域内，功能重要的P细胞嵌入活化的成纤维和胶质细胞中，并被免疫和其他成纤维群体的外周区域包围。这有助于隔离P细胞，并维持窦房结功能。

 

4. 心脏传导系统细胞的离子通道分布

不同的离子通道表达谱突出了CCS细胞状态的电生理特化：与其他CMs相比，P细胞动作电位上升是由钙而不是钠流介导的，SAN和AVN P细胞均表现出钠通道基因SCN5A的下调和l型钙通道基因CACNA1D的上调，其突变导致窦房结功能障碍和心动过缓。此外，多种与心脏起搏无关的离子通道基因在P细胞中高度表达，包括瞬时受体电位(TRP)非选择性阳离子通道家族。

 

5. 心脏传导系统细胞的GPCR图谱

心率主要通过GPCR信号传导而受到调控。CCS细胞表现出广泛的GPCR、G蛋白亚基和第二信使机制。此外， P细胞中表达神经体液配体的受体。作者用GPCR和跨突触粘附分子相互作用的定制模块补充了CellPhoneDB数据库，观察到SAN P细胞中表达的粘附GPCR存在多种相互作用。这些GPCR库支持CCS细胞对一系列神经体液因子的反应，以及与ECM成分在其微生态中的相互作用。

 

6. P细胞的基因调控网络

snATAC-seq数据发现，与大脑语言中心发育相关的转录因子FOXP2是针对主要P细胞离子通道基因(如HCN1)的相互作用。动物实验中也观察到Foxp2等位基因的小鼠脉搏率比野生型小鼠低。CREB5编码CAMP响应元件结合蛋白并与心房颤动相关，也是P细胞中高表达的TF之一。这些预测的控制机制可能有助于在体外构建更好的人类P细胞模型。

图3 人类P细胞图谱及与微生态的相互作用

 

7. 组织学节点结构中的谷氨酸能信号

在SAN和AVN的HE染色组织学节点结构中，作者观察到P细胞与表达神经素的胶质细胞亚群存在共定位并存在受配体互作，其中包括参与谷氨酸能信号传导的互作对。这些发现表明，人类P细胞表达谷氨酸能信号传导的必要机制， NGF+胶质细胞细胞可能与CCS细胞形成突触，并具有星形胶质细胞类似的支持作用。

 

8. 组织学节点结构中的神经支配

对于心脏自主神经元，空间转录组数据确定了右心房神经节丛(RAGP)，其中包含支配SAN33的神经元。作者计算泛神经元细胞骨架标记物(PRPH、NEFL、NEFM和NEFH)表达的分数，并将其映射到空间转录组数据，发现神经肽生长抑素与泛神经元细胞骨架评分高度相关。相关受体(肾shang腺素能和胆碱能)也在P细胞中表达。心脏交感神经元的活力依赖于神经营养因子NGF的持续来源， NGF+胶质细胞细胞的神经节NGF信号可能促进和维持来自附近RAGP的神经支配。

 

9. 单细胞分辨率的药物靶向

CCS细胞是变时性药物的重要靶点。作者开发了一个分析包drug2cell，它可以提取来自任何药物或靶标数据库的成对药物及其靶标分子。分析确定了P细胞表达的非心脏药物靶点，并具有变时效应。这些药物包括降糖药物利拉鲁肽(GLP-1类似物)和抗癫痫药物perampanel (AMPA受体抑制剂)。

图4 单细胞分辨率的药物靶点探索

 

10. 心脏外膜的免疫微生态

作者在空间转录组学数据中定位了血浆B细胞和编码免疫球蛋白重链的相关基因。IGHA、IGHG家族在心外膜-心膜下组织结构中显著富集，并与巨噬细胞具有强的相互作用与显著的共定位。表明不同的机制调节着心外膜-心外膜下微生态内IgG+和IgA+血浆B细胞的命运，巨噬细胞来源和的信号介导分泌免疫球蛋白的血浆B细胞的募集和稳态，为心脏提供免疫屏障。

图5 心外膜免疫生态位

 

11. 心室心肌压力微生态

snRNA-seq表明，活化的FB细胞状态具有高胶原表达谱(FB4_activated)和应激心室CMs表达心肌细胞应激特征(vCM3_stressed)，对已公开数据的研究表明其丰度与扩张型心肌病(DCM)相关。与其他vCMs相比，vCM3表达了更高水平的编码IL-6、TNFSF12和IL-1受体的基因，与心力衰竭的发病机制有关。这种心肌应激微生态可能是心肌病典型的不良心脏重构和致病性纤维化的前兆。
 

小编小结

通过整合单细胞与空间多组学，作者绘制出了迄今为止最详细、最全面的人类心脏细胞图谱，其中包括心脏传导系统的特殊结构——心跳的起源。还开发了一种名为Drug2cell的分析工具以便从单细胞分辨率下进行药物与药靶的预测。这套研究结合了多模态数据和集成的微观结构注释，具有推动微生态结构发现的能力，并可应用于健康和疾病状态下的其他组织。

 

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