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「北京青莲聚焦」让您“异”于常人的单细胞组学是如何解决异质性难题的?

2021-09-27 00:00:00

天津蛋白质组合



细胞群体的平均表达水平不一定与群体中单个细胞的表达相同。例如,有些基因持续在低水平表达,而另一些则在短时间内大量表达。对宏观测定而言,这样的表达模式被平均化,不能反映样品中所有细胞或者某群细胞的状态,因此需要对单个细胞的状态或是某群细胞的状态进行深入的研究。单细胞组学技术作为近年来火的技术手段可以研究单个细胞内的基因表达情况,同时解决用组织样本无法解决的细胞异质性难题,让解析单个细胞的行为、机制及其与机体的关系成为了现实。同时随着组学技术的发展,前沿的研究者们已经开始逐渐尝试从更多生物分子层次来多方面地探讨生物功能的执行与表型变化。

北京蛋白质组学

以下,小编整理了两篇单细胞转录组蛋白质组多组学研究文献,与大家分享。

前沿文献一

哈佛医学院的Arlene H. Sharpe和Marcia C. Haigis教授合作在Cell上发表“Obesity Shapes Metabolism in the Tumor Microenvironment to Suppress Anti-Tumor Immunity”,该研究表示在高脂饮食条件下,癌细胞会灵活地上调游离脂肪酸的途径,从而增加对脂质物质的摄取,间接地克制CD8+T细胞的肿瘤浸润和抗肿瘤功能。这项研究提出通过阻断肥胖小鼠体内肿瘤细胞的代谢重编程可提高抗肿瘤免疫能力来改善癌症免疫治疗的观点。



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首先作者选用C57BL/6J小鼠进行正常喂养(CD)和高脂饮食喂养(HFD)构建小鼠肥胖模型,而后对其注射不同的癌细胞系,观察发现HFD条件下,高免疫原性的MC38(结直肠癌细胞)和E0771(乳腺癌细胞),以及中免疫原性的B16(黑色素瘤细胞)肿瘤生长速率加快,而低免疫原性的LLC(路易斯肺癌细胞)无变化,结果表明HFD会增加小鼠肿瘤生长速度,且与肿瘤免疫原性呈正相关。而后通过在缺失ɑβT细胞的小鼠中注射MC38肿瘤细胞,发现HFD不影响TCRɑ-KO小鼠MC38的肿瘤生长速度。CD8+ T细胞缺失小鼠肿瘤生长速度加快,且在HFD条件下,CD8+ T细胞缺失和非缺失小鼠生长速率相同。这说明HFD可能通过限制肿瘤中的CD8+ T细胞应答效应,从而促进MC38肿瘤的生长。



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为探究HFD如何改变MC38肿瘤的免疫反应与鉴定TME(肿瘤微环境)中的免疫细胞对HFD独特的代谢适应性,作者利用单细胞转录组检测分选出的MC38瘤内的CD45+细胞,发现T细胞的代谢差异明显,集中表现为主碳代谢途径的改变。而对于肿瘤细胞的杀伤,CD8+ T细胞需要直接的细胞接触和足够的代谢资源。作者为进一步探究肥胖是否会通过影响TEM中TIL(肿瘤浸润淋巴细胞)的位置,以及肿瘤中T细胞的位置是否与肿瘤中的代谢生态位相关。使用CyCIF检测FFPE样本中免疫、肿瘤、基质细胞的位置,并鉴定他们代谢状态的关键特征,结果发现与CD相比, HFD肿瘤中CD8+和CD4+ T细胞与糖酵解标记物GLUT1之间的重叠减少,这表明HFD改变了肿瘤内的代谢生态位相互作用,并影响了局部T细胞的浸润模式。



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作者通过单细胞转录组学检测发现HFD会降低MC38肿瘤中内CD8+ T细胞的数量与功能,同时HFD中的肿瘤细胞和CD8+ T细胞在脂质代谢方面存在差异。作者进行了进一步的定量蛋白质组学分析,TMT蛋白组学发现HFD肿瘤细胞中的脂肪酸代谢和氧化磷酸化途径得到显著富集,利用靶向脂质组学检测HFD小鼠血浆与TME中脂质水平发现HFD主要影响血浆和TIF中的脂质水平。

综合多组学分析结果,HFD通过诱导转运体、脂肪酸结合蛋白和参与线粒体β氧化的蛋白质来支持肿瘤中的脂肪利用,而肿瘤细胞对脂肪酸的摄取增强可能导致T细胞在TME中缺乏脂肪酸,加之HFD中的IFNγ反应相对于CD较低,解释了CD8+ T细胞活性的降低以及浸润减少。证实了HFD中CD8+ T细胞代谢被克制,肿瘤细胞脂肪利用率增加。

根据上述结果,作者假设阻止HFD诱导的代谢改变可以恢复CD8+ T细胞的反应,并防止HFD引起的肿瘤生长增加。为了验证这一观点,作者在MC38细胞中过表达HFD-MC38细胞中主要改变的代谢调节因子之一PHD3,发现PHD3过表达能够恢复HFD小鼠TIF中FFA的含量。通过验证表明在MC38肿瘤细胞中过表达PHD3能够增强HFD小鼠的抗肿瘤T细胞应答效应。同时作者对五种癌症数据集进行了分析,发现肥胖的患癌人群中PHD3下调表达并与免疫力下降有关。

前沿文献二

单细胞RNA-seq+蛋白质组学联合分析猪骨骼肌发育机制,Association Analysis of Single-Cell RNA Sequencing and Proteomics Reveals a Vital Role of Ca2+ Signaling in the Determination of Skeletal Muscle Development Potential,该研究为丰富肌肉生成过程内容做出了贡献,对改善肌肉发育和再生具有价值,并为肌肉相关疾病的治疗提供了新的视角。



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本文以脂肪型和瘦肉型猪的肌肉衍生细胞为研究对象,旨在使用一种特殊的猪模型,探索骨骼肌中肌生成和脂肪生成之间稳态的机制,作者从瘦肉型与脂肪型新生猪中获取肌肉来源的细胞,利用10× Genomics单细胞转录组测序技术发现,作为高瘦肉产量基因选择的结果,瘦肉型猪所具有的骨骼肌的显著特征主要在于增强肌肉的生成方面,而不是通过克制脂肪的生成;同时10×RNA-seq分析发现,与脂肪型猪相比,瘦肉型猪在骨骼肌中保留了更高比例的肌系细胞。此外,瘦肉型猪的肌系细胞更接近肌源祖细胞的原始阶段。



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蛋白质组学分析证明,细胞的细胞增殖和分化在脂肪型和瘦肉型猪之间存在显著差异。具体来看,脂肪型与瘦肉型两品种之间肌系细胞的差异表达蛋白主要涉及肌肉发育、细胞增殖和分化、离子稳态、凋亡和MAPK信号通路。细胞内离子稳态的调节在两个品种的肌系细胞之间有显著差异。与脂肪型猪相比,瘦肉型猪的肌系细胞在细胞质和内质网中的钙离子浓度更低。综上所述,肌系细胞比例高、分化能力强是瘦肉型猪肌源性分化能力强、肌内脂肪沉积少的主要原因。相对低浓度的细胞钙离子浓度有利于肌系细胞保持强大的分化潜能。

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