单细胞测序获得人类肺的分子细胞图谱
研究背景
在单个器官中系统地识别和定位所有的分子细胞类型，以建立一个完整的分子细胞图谱很困难。该研究使用scRNA-seq，对所有肺组织间室和循环血液中的约75,000个人类细胞进行测序，定义了人类肺部58个细胞群的基因表达谱和解剖位置。通过比较人类和小鼠的数据，揭示了细胞类型及特异性表达基因在器官进化过程中的广泛可塑性。
方法流程
研究结果
1人类肺的58种分子细胞类型
作者获得了3个病人正常的肺组织，包括支气管、细支气管和肺泡区域以及外周血。scRNA-seq获得75,000个细胞的转录组，识别出58个不同的转录细胞群，包括15个上皮细胞，9个内皮细胞，9个基质细胞和25个免疫细胞。
图1 人肺和血细胞的scRNA-seq和注释策略
2新的肺细胞类型、亚型和状态
基底细胞有多种分子细胞类型，在激素产生(ALOX15、ADH7、SNCA)和粘附(POSTN、ISLR、PCDH7)方面存在差异。
肺泡2型(AT2)细胞有两个亚群，一个亚群(WIF1+HHIP+CA2+)表达了一些典型的AT2标记(SFTPA1、SFTPC和ETV5)，处于静止状态；另一个亚群选择性表达涉及Wnt信号(WNT5A、LRP5、CTNNBIP和TCF7L2)和解毒(CP、GSTA1和CYP4B1)的基因，可能是肺泡干细胞。
内皮细胞中有两个细胞群定位于支气管周围，确定为支气管中的血管内皮细胞。肺循环中的四个内皮细胞簇表达毛细血管标记基因，两个(毛细血管氧化细胞和一般毛细血管细胞)为混合型肺泡型毛细血管细胞，其他的是罕见的毛细血管类型，表现出两者的特征(毛细管中间物1和2)。
基质细胞中两个细胞群表达经典纤维母细胞标记(BSG和COL1A2)，一个(WIF1+FGF18+ASPN+)是典型的肌成纤维细胞，定位于肺泡管。另一个(纤维肌细胞)表达较高的收缩基因(MYH11、CNN1和TAGLN)，与气道平滑肌和肺泡混杂在一起。
免疫细胞中11个细胞群都来自肺样本，包括三个新的肺树突状细胞群：IGSF21+和罕见的EREG+树突状细胞，分别表达哮喘基因(CCL2、CCL13和IGSF21)和发育信号(EREG、VEGFA、AREG)，并且都定位于近端血管；TREM2+树突状细胞定位于血管和肺泡(APOC1、APOE、CYP27A1)。
图2 肺上皮细胞，内皮细胞和基质细胞类型的身份和位置
图3 肺免疫细胞
3细胞标记基因
作者鉴定了大约400个细胞类型的转录因子，它们可以通过细胞重编程创建所有肺细胞类型。
周细胞是几种激素的预测靶点，这些激素可以影响其收缩机制以调节肺泡灌注。通过检测配体和受体的表达，绘制局部信号相互作用，从而预测相邻细胞类型之间多达数百种相互作用。趋化因子受体的表达阐明了免疫细胞的归巢。
图4 趋化因子信号预测肺中的免疫细胞归巢
4绘制肺部疾病的细胞病灶
作者确定233个现存肺部疾病基因的表达，发现了12种疾病相关27个基因的已知或疑似“罪魁祸首”细胞，并确定了15种疾病21个基因的潜在“罪魁祸首”细胞，包括肺动脉高压的周细胞、房室发育不良的毛细血管和慢性阻塞性肺病(COPD)的AT2细胞。
作者绘制了80个编码病毒受体基因的表达，其中包括呼吸道病毒使用的26个基因。NECTIN4(麻疹病毒受体)在棒状细胞、纤毛细胞、分化基底细胞和杯状细胞中富集，CDHR3(普通感冒鼻病毒C)在纤毛细胞和神经内分泌细胞中富集，提示感染在这些支气管型相关细胞中启动。AT2细胞中均检测到ACE2 (SARS、COVID-19冠状病毒)和DPP4 (MERS冠状病毒)，与重度肺泡病理一致。
5
细胞类型的进化
通过细胞类型标记的保守表达确定同源细胞类型,小鼠似乎缺少58种人类肺细胞中的17种(29%)，其中包括14种(86%)新发现的肺细胞中的12种。有5个小鼠细胞群（免疫细胞）在人类中没有发现。这表明，在哺乳动物的进化过程中，肺细胞类型发生了实质性的多样化。
图5 肺细胞类型和表达模式的进化
研究结论
1) 该研究构建了一个包含58种细胞类型及其位置的完整的人肺表达图谱，确定了14种新的细胞类型。
2) 该图谱能够识别直接受激素、病毒和现存肺部疾病基因影响的细胞，对生理学和医学有广泛的影响。
3) 小鼠缺少58种人肺细胞类型中的17种，进化的细胞类型和表达的变化预测小鼠将无法模拟人类的肺生理和疾病。
4) 该图谱获取整个器官的新鲜组织和匹配的血液，确保了细胞的广泛性，将此方法应用于其他器官可以创建一个全面的人类分子细胞图谱。
参考文献
Travaglini, K.J., Nabhan, A.N., Penland,L.et al. A molecular cell atlas of the human lung from single-cell RNA sequencing.Nature(2020).
-THE END-