非因解读 | DSP空间全转录组+单细胞测序 描绘新冠患者多器官空间组织图谱

                                               DSP空间全转录组+单细胞测序

                                             描绘新冠患者多器官空间组织图谱

由麻省理工学院，麻省总医院，哈佛大学的多个研究团队领导的一项在新冠病毒感染者的大型研究近日在《Nature》上发表。研究人员首次在新冠病人的尸检样本中应用了单细胞测序、空间全转录组、空间靶向转录组以及空间蛋白组学，在多组学的层面上全面地剖析新冠病毒带来的影响。

技术亮点

研究首度综合应用了DSP空间全转录组和单细胞测序对新冠病患包括肝、肺、肠道等各个器官组织中的细胞图谱以及空间分布进行了全面的构建。

非因DSP空间全转录组（Whole Transcriptome Atlas, WTA）可在单张石蜡包埋（FFPE）组织切片或者新鲜冷冻切片上实现原位检测人类（18000多个蛋白编码基因）和小鼠（21000多个蛋白编码基因）的全转录组表达量分析。

研究方法

研究团队共收集了32名新冠病患的尸检组织，其中包括23个肺部组织、16个肝脏组织、16个肾脏组织、19个心脏组织共11种不同器官组织，再根据下游平台的需求分别进行石蜡包埋处理（空间全转录组），低温冷冻保存（单细胞测序及单细胞核测序）和急冻处理（大块组织测序）。随后研究人员通过整合单细胞测序、空间全转录组、空间靶向转录组和空间蛋白组学的数据，对各个器官组织中的细胞群落进行单细胞水平的空间分布分析。详细研究流程见下图1。

图1 

研究结果

研究人员首先从单细胞测序分析上对免疫细胞、肺部内皮细胞、表皮细胞进行了群组分析。数据表明肺部组织中，巨噬细胞、细胞毒性T细胞和树突状细胞均大量富集于病患肺部组织。此外,与健康肺部组织相比，作为重要肺部组织稳态成分的肺泡II型细胞数量大量减少，体现了在新冠病毒侵袭下细胞凋亡的情况。由于肺泡II性细胞减少会直接影响占据了肺泡表面95%面积的肺泡I性细胞的数目，因此会增加肺部纤维化的风险。

除了在单细胞水平上，研究人员亦结合大块组织测序数据，对每个细胞群落的转录组变化进行分析。数据显示，基因表达水平波动最剧烈的细胞群落包括了淋巴管内皮细胞、肺泡I型及肺泡II型细胞。其中肺泡II型细胞出现了大量与宿主病原体反应相关的基因上调。另一方面，作为预防肺部纤维化的肺表面活性物质（Lung Surfactant）则出现了大量下调。值得注意的是，与肺部再生高度相关的分子信号通路亦出现了大量上调，与新冠病毒造成的肺部组织损伤现象相吻合。

研究团队进一步在11个新冠病患和3名健康对照的肺部组织中通过DSP空间全转录组（18335个蛋白编码基因）进行原位分析。研究人员一方面采用RNAScope的病毒探针对新冠病毒的侵袭部位进行精准的区域选择（Region of Interest， ROI），另一方面通过PanCK表达水平，对发炎部位和非发炎部位进行区域选择，以求在组织水平上全面体现新冠病毒在肺部组织中造成的空间转录组变化。下图2为研究团队的感兴趣区域选择示例。

图2 

DSP数据显示，在PanCK高表达，即重度发炎的组织中，肺泡I型和肺泡II型细胞都出现了大量富集。而在新冠病毒高丰度且重度发炎组织中，成纤维细胞丰度较健康组织出现了大量上调，与新冠病毒带来的肺部纤维化临床表现相吻合。当研究人员在同一病患组织中比较重度发炎组织和邻近非发炎组织时，数据表明除了TNF-alpha、IFN-gamma等信号通路的大量上调之外，发炎组织中与细胞之间紧密链接（Tight Junction）的基因出现了下调，体现了肺泡组织损伤和由病毒带来的屏障损失。

文章通讯作者之一，来自BIDMC癌症研究所生物信息学总监Ioannis S. Vlachos博士认为，空间基因组学分析使科研界能够进一步扩展单细胞研究，并直接在患者组织中进行详尽的细胞图谱测量，以及描述基因表达改变的过程。Vlachos博士认为通过使用空间全转录组在组织原位上捕获超过18,000个基因的能力具有真正的革命意义。研究人员能够分析组织上由于新冠病毒导致的局部炎症，细胞动态改变以及病毒丰度之间的关系，对新冠病毒患者肺部的病理机制获得重要见解。