评论 | Genome Medicine：在单细胞分辨率下解析肺的发育和纤维化（IF=10.886）
编译：罗睺，编辑：十九、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
单细胞转录组分析使在发育、健康和疾病期间对组织中的细胞群进行高分辨率分析成为可能。最近的研究创新性地利用单细胞RNA测序（scRNAseq）来研究免疫细胞在发育和纤维化肺疾病期间与肺组织成分相互作用的机制。
论文ID
主要内容
生物体内组织与器官的发育及维持涉及复杂的细胞和分子相互作用，这些相互作用建立了结构完整性、组织特异性功能和组织保护及修复的内在机制。这些协调功能由多种细胞类型介导，包括上皮细胞和内皮细胞亚群、基质细胞、成纤维细胞以及免疫细胞。尤其是组织内的固有免疫细胞和适应性免疫细胞，包括组织巨噬细胞、粒细胞和淋巴细胞，在感知和修复组织损伤方面发挥着关键作用，从而介导原位保护免受环境和微生物的侵害。免疫细胞与组织成分的这种相互作用对于正常的发育和内环境平衡是必不可少的；免疫功能的失调与监测失常可导致组织炎症、纤维化或癌症等疾病。定义这些相互作用的性质以及它们失调的机制对于理解人类发展、衰老和疾病至关重要。
肺是至关重要的器官，由多种介导呼吸作用和气体交换的细胞组成。肺组织含有多种免疫细胞类型，如肺泡巨噬细胞和间质巨噬细胞、树突状细胞、粒细胞和淋巴细胞，包括循环和组织驻留记忆T细胞。肺部经常暴露在致病性和非致病性的微生物和环境中，这表明动态机制对于维持组织完整性是必要的。当这些动态过程不能正常运转时，肺修复中的特定缺陷会触发肺纤维化的改变，从而导致一种叫做肺纤维化的衰弱综合征，这是一种以肺功能丧失、结构完整性和呼吸能力丧失为特征的进行性疾病。这种疾病的过程是不可逆转的，许多病人需要肺移植，这是目前已知的唯一治疗方法。有趣的是，以前的研究表明，巨噬细胞在纤维化过程中起着至关重要的作用，并在纤维化病变中表现出功能改变，这表明纤维化可能与巨噬细胞的功能缺陷及其与上皮细胞和成纤维细胞的相互作用有关。然而，巨噬细胞改变和促进纤维化的机制仍不清楚。
最近的技术进步使得单个细胞的基因表达谱可以通过单细胞RNA测序（scRNAseq）来测量，这为高精度地定义参与组织内稳态和疾病发展的细胞类型和分子途径提供了新的机会。scRNAseq阐明了不同系统中的细胞组成、异质性、发育和激活状态。与传统的批量方法不同，scRNAseq能够识别稀有细胞类型，特别适合于研究经历异步转变的群体。在人类支气管上皮和小鼠气管上皮中，已使用scRNAseq鉴定可能与呼吸道疾病有关的新细胞亚群和群体。scRNAseq可扩展性的快速增长催生了大型数据集，未来需要开发更新的数据分析方法，以改进细胞亚群的识别、分化和功能状态，以及超越细胞聚类，深入剖析细胞-细胞相互作用和功能途径。因此，从scRNAseq数据获得新的生物学和机械学见解需要针对特定科学问题量身定制的新的计算方法。
最近集中在肺的三项研究应用了前沿的scRNAseq，并应用了新的计算分析发展或应用程序，研究小鼠和人类肺纤维化发展中涉及的细胞状态转换，描述了在正常肺发育过程中建立肺驻留巨噬细胞所涉及的细胞-细胞相互作用。
Aran等人的研究使用scRNAseq在稳定状态和特征良好的肺纤维化模型中对小鼠肺细胞进行了分析，包括博莱霉素诱导的引起广泛上皮损伤和肺纤维化的肺损伤模型，以及涉及端粒失调的替代模型。对scRNA-seq的无偏见细胞类型鉴定具有挑战性，特别是在致病性反应可能使典型表型失真的病变组织中。因此，作者开发了一种称为SingleR的算法，该算法通过系统地比较scRNA序列与参考数据进行细胞类型注释。他们发现了一种新的单核细胞亚群，该亚群显示了包括Cx3cr1、Ccr2和MHCⅡ类基因在内的标记物，这些标记物与肺纤维化中肺泡巨噬细胞表型的转变有关。他们的研究结果进一步证明，巨噬细胞的这一亚群是血小板源性生长因子-AA（Pdgf-AA）的主要来源，参与促进成纤维细胞增殖，而且在条件性缺失CX3CR1表达细胞的小鼠中，删除这一亚群可以减轻纤维化。这些发现，通过在纤维化反应高峰期间对细胞群进行无偏的scRNAseq分析，揭示了纤维化期间致病性浸润群体的精确特征。
动物模型能够在等基因背景下对发育时间过程进行功能验证和解释，但对患者标本进行scRNA-seq分析对于识别参与疾病发病的巨噬细胞亚群和获得潜在治疗靶点至关重要。Reyfman及其同事使用可扩展的方法对来自纤维化患者的肺活检和来自移植供体的健康肺组织进行了无偏向分析。就像Aran、Reyfman等人，结合已知免疫细胞、上皮细胞和成纤维细胞的参考数据集，分析了scRNAseq数据，这确定了巨噬细胞的纤维化特异性亚群，表现出促纤维化表型以及肺泡上皮细胞的纤维化诱导的特异性改变。尽管scRNAseq对于标记物的发现是无价的，但许多转录本是未被检测到的（这一问题被称为转录'退出’），这可以基于一小组基因来测量细胞的组成。这些研究表明，如何利用患者活检中的原位RNA杂交来改进基于来自scRNAseq的标记的细胞组成估计。
除了识别肺纤维化的细胞状态外，从scRNAseq获得的数据还可以提供对复杂细胞-细胞相互作用的见解。Cohen等人的研究报道了一种利用蛋白质-配体相互作用网络来推断发育中肺的细胞-细胞相互作用的新方法来分析scRNAseq谱。他们在胚胎和产后发育的七个阶段对细胞群进行无偏采样，用scRNAseq分析小鼠的肺。除了使用基于图聚类推断细胞亚群和状态外，他们还利用已发表的配体-受体对在“元细胞”之间建立一个相互作用体，以阐明具有相似表达谱的细胞群之间的相互影响。由此产生的相互作用网络表明，肺内嗜碱性粒细胞（一种相对罕见的细胞类型）与肺中的免疫细胞以及非免疫细胞高度相关。通过共培养和选择性删除嗜碱性粒细胞的验证性研究，揭示了这种类型的细胞在稳态肺泡巨噬细胞表型发展中的一个未定义的基本作用。这一作用涉及嗜碱性粒细胞特异性IL-33的产生，它促进抗炎基因表达过程，包括增强巨噬细胞中Ccl17、Arg1和Itgax的表达。这些发现证实了scRNAseq数据揭示复杂组织环境中涉及多种细胞类型的关键相互作用途径的能力。由于修复过程可以概括组织中的发育过程，因此分析肺纤维化中的scRNAseq数据，以确定嗜碱性粒细胞是否参与了疾病过程。
结果