玩转单细胞高级分析 | 细胞通讯分析篇

多细胞生物的细胞与细胞之间往往会通过细胞因子和膜蛋白等进行通讯，从而调节生命活动，保证生命体高效、有序的运作。其中，受体-配体介导的细胞间通讯对协调发育、分化和疾病等多种生物学过程至关重要。细胞通讯分析通过统计不同细胞类型中受体和配体的表达及配对情况，推断不同细胞之间的相互作用。

一、细胞通讯分析常用方法

基于单细胞数据进行的细胞通讯分析往往涉及到表达量矩阵，受体-配体表达，受体-配体互作强度等信息。常见的单细胞转录组细胞通讯分析工具有CellPhoneDB和iTALK等。

CellPhoneDB

CellPhoneDB主要通过一种细胞类型的受体和另一种细胞类型的配体的表达信息，得到不同细胞类型之间的相互作用。CellPhoneDB不仅包含了数据库注释的受体和配体，还提供了人工注释的参与细胞通讯的蛋白质家族，提供受体和配体的亚基结构。可以对细胞间的通讯分子进行全面、系统的分析。

图1 CellPhoneDB受体配体库（图片引自文献[1]）

图2 CellPhoneDB分析结果（图片引自文献[1]）

2. iTALK

iTALK以细胞群为相互作用的对象，计算每个细胞亚群中受体配体的表达，并以此作为相互作用的指标来研究亚群之间的细胞通讯关系。iTALK将受体-配体注释为4大类：细胞因子、生长因子、免疫检查点和其他。该软件集成了多种差异分析和可视化方法，中间数据和最终结果都可以轻松导出。

图3 iTALK分析结果（图片引自文献[2]）

二、细胞通讯分析应用思路

细胞通讯分析可以帮助我们了解细胞与细胞之间的互作关系，解析细胞间通信网络。揭示发育过程中各类细胞的相互作用、探索肿瘤免疫微环境、挖掘疾病潜在的治疗靶点。

揭示发育中细胞的相互作用

在发育研究中，可以选择不同发育时间点或者不同亚群研究各类细胞间的相互作用。2020年西北农林科技大学等单位的研究人员在Theranostics发表了利用单细胞测序绘制小鼠毛囊发育图谱的文章。该研究通过对小鼠毛囊不同发育时间点，相同亚群及不同亚群间的受体-配体相互作用进行分析，发现在不同发育时间点，不同亚群间存在强烈的相互作用关系，相同细胞亚群富集的受体-配体对显示强烈的自分泌信号，表明强大的细胞间通讯参与了早期毛囊发育。

图4 细胞通讯分析揭示小鼠毛囊发育中细胞的相互作用（图片引自文献[3]）

2. 探索肿瘤免疫微环境

在肿瘤免疫微环境研究中，可以通过细胞通讯分析挑选相互作用最强的的细胞亚群，进一步分析其在肿瘤免疫微环境中的作用机制。2020年华中科技大学等单位的研究人员在Nature Communications发表了单细胞测序研究膀胱癌免疫微环境的文章。该研究通过对膀胱癌样本不同亚群进行受体-配体分析，发现与其他细胞类型相互作用最多的炎性癌相关成纤维细胞亚群（iCAFs），iCAFs分泌与免疫浸润状态相关的蛋白，并且可以与其他细胞类型相互作用，促进血管生成及肿瘤增殖，揭示了iCAFs在膀胱癌免疫微环境中的作用机制。

图5 细胞通讯分析揭示膀胱癌中iCAFs的作用（图片引自文献[4]）

3.挖掘疾病治疗靶点

在疾病研究中，可以通过细胞通讯分析探索疾病潜在的治疗靶点。2020中国科技大学附属医院等单位的研究人员在Nature Communications发表了利用单细胞测序研究新冠肺炎患者免疫机制的文章。该研究通过对新冠肺炎患者及健康对照的单核细胞与其他免疫细胞进行细胞通讯分析，发现重症新冠患者的单核细胞可与CD4+T细胞、CD8+T细胞和B细胞相互作用，重症患者单核细胞中富集趋化因子的受体，表明这些细胞因子或其受体具有治疗重症新冠患者的潜力，可能成为新冠患者治疗的靶点。

图6 细胞通讯分析挖掘新冠肺炎治疗靶点（图片引自文献[5]）

参考文献

1. Efremova M, Vento-Tormo M, et al. CellPhoneDB: Inferring Cell-Cell Communication from Combined Expression of Multi-Subunit Ligand-Receptor Complexes[J]. Nature Protocols，2019.

2. Yuanxin Wang, Ruiping Wang, et al. iTALK: an R Package to Characterize and Illustrate Intercellular Communication. bioRxiv, 2019.

3. Ge W, Tan S J, Wang S H, et al. Single-cell Transcriptome Profiling reveals Dermal and Epithelial cell fate decisions during Embryonic Hair Follicle Development[J]. Theranostics, 2020,10(17):7581-7598.

4. Chen Z, Zhou L, Liu L, et al. Single-cell RNA Sequencing Highlights the Role of Inflammatory Cancer-Associated Fibroblasts in Bladder Urothelial Carcinoma[J]. Nature Communications，2020.

5. Guo C, Li B, Ma H, et al. Single-cell Analysis of Two Severe COVID-19 Patients Reveals a Monocyte-Associated and Tocilizumab-Responding Cytokine Storm[J]. Nature Communications, 2020,11(1).