腎臟單細(xì)胞測序研究——腎臟篇

吉凱基因

2021.12.30

腎臟是一個非常復(fù)雜的器官，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止一個簡單的“過濾器”，腎臟要正常發(fā)揮功能，需要多個高度特異性的不同細(xì)胞類型之間相互作用來幫助機體通過尿液排出廢物、平衡體液，調(diào)節(jié)血壓并且分泌多種激素。同時，很多繼發(fā)因素都會引起腎臟疾病，如高血壓腎損害，糖尿病腎病，系統(tǒng)性紅斑狼瘡，狼瘡性腎炎等。腎臟組織非常異質(zhì)，有30種不同的細(xì)胞類型。足細(xì)胞、腎小球內(nèi)皮細(xì)胞和系膜細(xì)胞負(fù)責(zé)腎臟超濾，而系膜細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的細(xì)胞增生腎小球纖維化則是慢性腎病進展的特征。

對腎臟不同類型細(xì)胞圖譜的全面了解，為多角度理解不同腎臟疾病產(chǎn)生的細(xì)胞起源、功能異質(zhì)性等提供了極有價值的數(shù)據(jù)資源，可為開發(fā)新的、更有針對性的腎臟治療方法開辟可能性。本文對部分將單細(xì)胞測序技術(shù)應(yīng)用于探索腎移植排斥反應(yīng)的免疫學(xué)特征、腎臟纖維化過程的細(xì)胞起源、透明細(xì)胞腎細(xì)胞癌的瘤內(nèi)異質(zhì)性、糖尿病腎病的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜等相關(guān)文獻(xiàn)進行導(dǎo)讀，希望為大家的單細(xì)胞相關(guān)研究帶來啟發(fā)。

案例一

人類腎纖維化過程中肌成纖維細(xì)胞的起源解碼

研究目的：利用單細(xì)胞RNA測序探索人類腎纖維化過程中瘢痕形成細(xì)胞的起源

樣本信息：人腎臟組織

測序策略：10×平臺，單細(xì)胞測序（scRNA-seq）+ RNA-seq + ATAC-seq

捕獲細(xì)胞數(shù)：51,849個

結(jié)論：周細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的不同亞群，它們是人類腎臟纖維化過程中瘢痕形成肌成纖維細(xì)胞的主要細(xì)胞來源。結(jié)合小鼠的遺傳命運追蹤、時間歷程單細(xì)胞RNA測序和ATAC-seq以及人類腎纖維化的空間轉(zhuǎn)錄組測序等方法揭示人類腎肌成纖維細(xì)胞及其前體的細(xì)胞起源和分化，檢測潛在的治療靶點并確定NKD2是人類腎纖維化中肌成纖維細(xì)胞的特異性靶點。

案例二

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析揭示透明細(xì)胞腎細(xì)胞癌的瘤內(nèi)異質(zhì)性并導(dǎo)致不同的臨床結(jié)果

研究目的：利用單細(xì)胞RNA測序解析透明細(xì)胞腎細(xì)胞癌(ccRCC)的異質(zhì)性

樣本信息：人腎癌樣本（3例患者的12份癌樣本和9份腫癌旁樣本）

測序策略：10×平臺，單細(xì)胞測序（scRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：24,550個

結(jié)論：確定了15種主要細(xì)胞類型以及來自腫瘤或非惡性組織的39個亞組細(xì)胞，細(xì)胞衰竭是ccRCC組織免疫抑制特性的關(guān)鍵因素且與不良預(yù)后顯著相關(guān)，異常的代謝模式不僅發(fā)生在癌細(xì)胞中，而且也發(fā)生在腫瘤浸潤的基質(zhì)細(xì)胞中。PD-1、LAG3、TIM-3等免疫抑制檢查點可作為ccRCC免疫治療的潛在靶點。

案例三

單細(xì)胞分析揭示慢性移植排斥患者腎臟的免疫景觀

研究目的：利用單細(xì)胞RNA測序探索慢性腎移植排斥反應(yīng)腎臟細(xì)胞的狀態(tài)形成

樣本信息：人類腎臟（3個健康組+2個慢性腎移植排斥反應(yīng)（CKTR）組）

測序策略：10×平臺，單細(xì)胞測序（scRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：27,197 個細(xì)胞

結(jié)論：從三個健康的人類腎臟和兩個慢性腎移植排斥反應(yīng)（CKTR）活檢中鑒定到15種不同的細(xì)胞類型，包括主要免疫細(xì)胞、腎細(xì)胞和幾種基質(zhì)細(xì)胞。自然殺傷T細(xì)胞(NKT)分為CD4+ T細(xì)胞、CD8+ T細(xì)胞、細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞(ctl)、調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(treg)和自然殺傷細(xì)胞(NKs)五個亞類。記憶B細(xì)胞分為兩個亞型，代表反向免疫激活。單核細(xì)胞形成典型的CD14+組和非典型的CD16+組。在成纖維細(xì)胞中鑒定了一個新的表達(dá)膠原和細(xì)胞外基質(zhì)成分的亞群——肌成纖維細(xì)胞(MyoF)。CKTR組的特點是免疫細(xì)胞和MyoF數(shù)量增加，導(dǎo)致腎排斥反應(yīng)和纖維化增加，且不同的亞型與CKTR中不同的功能相關(guān)。

案例四

利用表達(dá)的單核苷酸變異和單細(xì)胞RNA測序確定排斥性腎移植中的免疫細(xì)胞嵌合體

研究目的：利用單細(xì)胞RNA測序探索腎移植中供體白細(xì)胞是否持續(xù)存在或在排斥反應(yīng)中發(fā)揮作用

樣本信息：人腎移植活檢組織

測序策略：10×平臺，單細(xì)胞測序（scRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：81,139個細(xì)胞

結(jié)論：白細(xì)胞供體/受體比率隨巨噬細(xì)胞的排斥狀態(tài)和淋巴細(xì)胞移植后的時間而變化。受體巨噬細(xì)胞表現(xiàn)為炎癥激活，而供體巨噬細(xì)胞表現(xiàn)為抗原呈遞和補體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。受體來源的T細(xì)胞表達(dá)與效應(yīng)細(xì)胞表型一致的細(xì)胞毒性和促炎基因，而供體來源的T細(xì)胞則表現(xiàn)為靜止?fàn)顟B(tài)，表達(dá)氧化磷酸化基因。排斥腎內(nèi)供體和受體T細(xì)胞克隆均提示淋巴細(xì)胞聚集。供者來源的巨噬細(xì)胞和T細(xì)胞與受體相比具有不同的轉(zhuǎn)錄譜，而且供者巨噬細(xì)胞可以在移植后持續(xù)數(shù)年。

案例五

人早期糖尿病腎病的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖

研究目的：利用單細(xì)胞RNA測序探索糖尿病腎病腎小球和腎小管間質(zhì)損傷伴隨細(xì)胞特性

樣本信息：人糖尿病腎病腎組織（冷凍保存）

測序策略：10×平臺，單細(xì)胞核測序（snRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：23,980個細(xì)胞

結(jié)論：基因表達(dá)的細(xì)胞類型特異性變化對離子轉(zhuǎn)運、血管生成和免疫細(xì)胞激活都很重要，糖尿病患者的增厚上升肢、晚期遠(yuǎn)端曲小管和主細(xì)胞都采用了與鉀分泌增加相一致的基因表達(dá)特征，包括鈉/鉀離子-ATP酶、鹽皮質(zhì)激素受體和表達(dá)的改變，以及減少細(xì)胞外鈣和鎂的再吸收。在腎小球類型細(xì)胞、近曲小管、遠(yuǎn)曲小管和主細(xì)胞中識別出強烈的血管生成信號。鉀分泌增加和血管生成信號通路預(yù)示了人糖尿病腎病的早期腎臟反應(yīng)。

案例六

狼瘡腎炎患者腎臟的免疫細(xì)胞圖

研究目的：使用單細(xì)胞RNA測序分析狼瘡性腎炎疾病的機制

樣本信息：腎臟樣本（來自狼瘡性腎炎患者和健康對照者）

測序策略：10×平臺+CEL-Seq，單細(xì)胞測序（scRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：9,200個細(xì)胞

結(jié)論：狼瘡性腎炎患者腎臟中有21個活躍的白細(xì)胞亞群，包括多種骨髓細(xì)胞、T細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞和B細(xì)胞，它們表現(xiàn)出促炎反應(yīng)和炎癥緩解反應(yīng)。B細(xì)胞局部激活的證據(jù)與年齡相關(guān)的B細(xì)胞特征和腎臟單核細(xì)胞分化的進展階段相關(guān)。在大多數(shù)細(xì)胞中觀察到明顯的干擾素反應(yīng)。兩種趨化因子受體CXCR4和CX3CR1廣泛表達(dá)，尿液和腎臟中免疫細(xì)胞的基因表達(dá)高度相關(guān)，表明尿液可以作為腎臟活組織檢查的替代品。

案例七

人類腎臟的時空免疫分區(qū)

研究目的：利用單細(xì)胞RNA測序探索人類腎臟的時空免疫拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

樣本信息：小鼠人類腎臟組織（分別來自14個成人和6個胎兒）

測序策略：10×平臺，單細(xì)胞測序（scRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：40,268個

結(jié)論：在成熟（而非胎兒）腎臟的盆腔上皮中，抗菌肽轉(zhuǎn)錄物明顯存在。胎兒和成熟腎臟中均存在組織駐留的髓系和淋巴系免疫細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)，胎兒出生后獲得了促進感染防御能力的轉(zhuǎn)錄程序。上皮免疫串?dāng)_協(xié)調(diào)了抗菌巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞在腎臟最易受感染區(qū)域的定位。

案例八

成人腎臟單核RNA測序的優(yōu)勢: 在纖維化中揭示罕見細(xì)胞類型和新細(xì)胞狀態(tài)

研究目的：比較單細(xì)胞測序和單細(xì)胞核測序解析腎臟組織的區(qū)別

樣本信息：成年小鼠腎臟

測序策略：DropSeq平臺單細(xì)胞測序(scRNA-seq) + 10×平臺，sNuc-DropSeq，DroNc-seq，單細(xì)胞核測序（snRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：14,382 個細(xì)胞

結(jié)論：snRNA-seq捕獲了在scRNA-seq數(shù)據(jù)集中未被代表的腎細(xì)胞類型的多樣性，包括腎小球足細(xì)胞、系膜細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞，且未檢測到應(yīng)激反應(yīng)基因。snRNA-seq在成年腎臟中的基因檢測與scRNA-seq具有可比性，且具有顯著的優(yōu)勢，包括降低解離偏差、與冷凍樣本的相容性、消除解離誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄應(yīng)激反應(yīng)，同時，在炎性纖維化腎臟中可檢測出腎近端有罕見的腎小球旁細(xì)胞，新的激活的近端小管和成纖維細(xì)胞狀態(tài)。

案例九

小鼠腎臟的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)揭示了腎臟疾病的潛在細(xì)胞靶點

研究目的：利用單細(xì)胞RNA測序探索腎臟細(xì)胞類型的完整分子特征

樣本信息：小鼠腎臟組織

測序策略：10×平臺，單細(xì)胞測序（scRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：57,979個細(xì)胞

結(jié)論：由不同基因突變引起但具有相同表型的遺傳性腎臟疾病起源于相同的分化細(xì)胞類型。成年小鼠腎臟的集合管通過一個新鑒定的過渡細(xì)胞產(chǎn)生一系列細(xì)胞類型。細(xì)胞軌跡分析和體內(nèi)譜系追蹤顯示，夾層細(xì)胞和主細(xì)胞通過Notch信號通路進行轉(zhuǎn)換。在小鼠和人類腎臟疾病中，這些轉(zhuǎn)變向主要細(xì)胞命運轉(zhuǎn)移，并與代謝性酸中毒有關(guān)。

案例十

人類腎臟的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組揭示了腎臟腫瘤的細(xì)胞特性

研究目的：利用單細(xì)胞RNA測序探索腎臟腫瘤細(xì)胞的身份和腫瘤組織的多樣性

樣本信息：正常和腫瘤腎臟組織（來自胎兒、兒童和成人腎臟）

測序策略：10×平臺，單細(xì)胞測序（scRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：72,501個細(xì)胞

結(jié)論：將兒童期腎母細(xì)胞瘤與特定的胎兒細(xì)胞類型相匹配，從而為腎母細(xì)胞瘤細(xì)胞是異常胎兒細(xì)胞的假設(shè)提供了證據(jù)。在成人腎細(xì)胞癌中，發(fā)現(xiàn)了一個與鮮為人知的近曲小管細(xì)胞亞型相匹配的典型癌癥轉(zhuǎn)錄組。對腫瘤成分的分析確定了與癌癥相關(guān)的正常細(xì)胞，并描繪了一個復(fù)雜的血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）信號通路，揭示了人類腎臟腫瘤的精確細(xì)胞特征和成分。

腎臟單細(xì)胞測序資料

吉凱基因憑借多年在靶標(biāo)篩選及驗證服務(wù)領(lǐng)域的技術(shù)積累，建立的標(biāo)準(zhǔn)化、工程化、系統(tǒng)化的GRP平臺，為中國研究型醫(yī)生提供科研服務(wù)，加快科研成果轉(zhuǎn)化，其中，單細(xì)胞測序擁有10x和BD兩個平臺，提供單細(xì)胞RNA-seq、單細(xì)胞核測序、單細(xì)胞混樣RNA-seq、單細(xì)胞ATAC-seq、單細(xì)胞（RNA+ATAC）、空間轉(zhuǎn)錄組測序等服務(wù)。

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