Cell揭示人类产前巨噬细胞的异质性及发育动态

学术 2024-11-02 06:59 北京

目前研究已经发现巨噬细胞具有很强的异质性，在发育和疾病中都起着关键作用。然而，巨噬细胞在人类发育过程中的多样性及功能还没有充分揭示。小编今天给大家分享一篇今年9月刚刚发表在Cell (IF: 64.5)杂志上关于产前发育过程中巨噬细胞特征的文章。该研究收集了受孕后4-26周(PCW 4-26) 19时间节点的组织，并对这些组织进行单细胞RNA测序。研究重点关注了巨噬细胞(Mf)，最终识别出15种巨噬细胞亚型，文章从多个角度对这些细胞进行详细刻画。

免疫细胞图谱揭示产前发育过程中人类巨噬细胞的动态特征

一．文章摘要

研究对来自PCW 4-26的19个时间节点组织进行单细胞测序，进一步构建了动态特异性的人类巨噬细胞图谱。研究首先识别出了15种巨噬细胞亚型，其中包括小胶质样细胞群和促血管生成细胞群。研究进一步发现小胶质样细胞在分子和形态上与中枢神经系统中的小胶质细胞相似，存在于胎儿表皮、睾丸和心脏中。这些细胞也是早期表皮的主要免疫群体，并呈极化分布。研究接着通过空间和分化轨迹分析发现促血管生成巨噬细胞分布在胎儿器官的血管周围。总之，该研究提供了一个全面的人类巨噬细胞异质性和发育动力学相关图谱。

二．文章的主要内容及结果

1.发育过程中人类免疫系统的scRNA图谱

研究首先对不同时间节点的人类胚胎和胎儿组织进行单细胞测序(scRNAseq)分析。研究收集367个产前样本，这些样本跨越妊娠后4-26周(PCW)的19个时间点。此外研究也纳入了成人皮肤和大脑的测序数据。研究分析了293095个免疫细胞(图1A)，并使用MetaCell将转录相似的细胞聚集为元细胞(MCs)，其中包Mf、祖细胞、B细胞、T细胞、先天样淋巴细胞(ILCs)、自然杀伤细胞(NK)、树突状细胞(DCs)、单核细胞(Mo)、巨核细胞(Mk)、粒细胞(Gr.)和红细胞(图1B和1C)。研究观察到胚胎的免疫景观在发育过程中呈动态变化，其中Mf、祖细胞和Mk是变化最明显的群体(图1D和1E)。研究接着比较多个器官的免疫谱，发现器官中存在共享和组织特异的亚型，其中Mf具有更显著的组织特异性(图1F)。

图1 人类免疫系统的发育scRNA图谱

2.人产前Mf的转录异质性

这一部分对Mf的异质性进行了详细分析。研究首先将MCs分为15个亚型(图2A和2B)，并根据转录相似性将15个亚型分为6组(图2C)。接着研究根据Mf MCs的转录状态，识别了8个关键的共调控基因模块(图2D)。研究接着通过跨器官分析揭示了共有的和组织特异性的Mf亚型(图2E)。研究观察到早期Mf 在原始器官形成过程中早在卡内基分期(CS) 11就已发育(图2F)，且这些细胞占主导地位，直到CS23才逐渐减少及消失(图2F和2G)。研究进一步观察到在CS23之前，促血管生成Mf(PraM)的丰度较低，在9 PCW后则显著增加(图2F和2G)。接着研究从CS11 到 CS23取样胚胎、卵黄囊(YS)、性腺(AGM)和肢体，并观察其Mf组成(图2H)，结果发现YSdMP_AFPhigh在YS中富集(图2H)。随着胚胎的生长，pre-PraM在这些组织中的比例增加(图2H)。

图2 人产前巨噬细胞的异质性和时空动态

3.中枢神经系统外小胶质样细胞的多器官分布

接着对小胶质细胞的分布情况进行了研究。研究在中枢神经系统外发现了表达核心小胶质细胞特征基因的小胶质样细胞，这些细胞与来自脑和脊髓的小胶质细胞聚集在一起(图2H、3A和3B)。为了证实这种小胶质细胞样群体的存在，研究使用流式细胞术在大脑、皮肤、睾丸和心脏中识别出三种免疫群体，分别为MRC1- P2RY12-、MRC1+ P2RY12-和MRC1-P2RY12+，其中MRC1-P2RY12+细胞的CD45水平低于MRC1+ P2RY12-细胞(图3C)，这与成熟小胶质细胞的CD45低特征吻合。接着研究在不同组织中进行了免疫荧光分析，结果观察到P2RY12+小胶质样细胞仅位于胎儿表皮(图3D)，其丰度会逐渐下降(图3E和3F)。心脏中小胶质样细胞从CS13开始出现，然后逐渐积聚在主动脉(图3G)，直到26 PCW仍是主动脉的主要免疫群体，但在成年期并没有观察到(图3H)。睾丸中小胶质样细胞主要位于传出管周围的附睾(图3I)，它们早在CS14时就出现在中肾小管周围(图3J)。在整个发育过程中，小胶质样细胞在附睾的丰度相对恒定(图3K)，但表现出不同的形态(图3L)。研究进一步观察到这些小胶质细胞在发育过程中经历了分枝和成熟(图3M)。基于这些结果研究提出假设：前体从YS区迁移到外胚层和AGM区，随后在这两个位置转化或分化为小胶质细胞或小胶质样细胞(图3N)。

图3 中枢神经系统外小胶质样细胞的识别和刻画

4.表皮小胶质样细胞呈极化分布并与神经嵴细胞(NCCs)相互作用

这一部分研究分析了表皮小胶质样细胞的功能。研究首先分析了不同解剖位置的表皮，发现与四肢和腹部皮肤相比，小胶质样细胞在背部和头部皮肤中更为普遍(图4A)。研究观察到9 PCW时几乎所有的后表皮免疫细胞都是小胶质样细胞(图4B)。定量分析进一步表明在所有发育阶段，小胶质样细胞在后表皮的数量和密度都高于肢表皮(图4C)，且小胶质样细胞主要分布于胚胎表皮层的背外侧部分(图4D)。研究也发现小胶质样细胞在表皮中的极化分布模式类似于NCCs的背侧迁移路线(图4E)。研究通过不同发育阶段的P2RY12、SOX10和CD45共染色发现表皮小胶质样细胞与SOX10+细胞之间存在相互作用(图4F和4G)，且到9 PCW时，大多数与小胶质样细胞相互作用的SOX10+细胞表达DCT(图4H)。在不同发育阶段，小胶质样细胞和SOX10+ DCT+细胞的密度沿表皮背侧腹轴逐渐减少(图4I)。接着研究体外培养了胎儿背部皮肤，观察消耗胎儿皮肤中的小胶质样细胞可显著减少SOX10+ DCT+细胞的数量，这表明小胶质样细胞可调节NCCs的分化(图4J)。

图4 表皮小胶质样细胞与神经嵴细胞相互作用并调节神经嵴细胞

5.PraMs的分子和功能特征

这一部分研究分析了PraMs的分子和功能特征。研究发现与pre-PraM相比，PraM表达更高水平的血管生成促进基因，这些基因表达水平从pre-PraM到PraM稳步上升(图5A和5B)。因此研究基于促血管生成模块计算了一个促血管生成评分，来量化Mf MCs的促血管生成活性(图5C)。接着研究通过体外实验(图5G)，从胎儿的软脑膜、肾脏、心脏、肺和皮肤中分离培养了MRC1+ P2RY12-细胞，从脑实质中分离培养了MRC1-P2RY12+细胞(小胶质细胞)(图5D)，结果发现这些器官的MRC1+ P2RY12-细胞的上清液比P2RY12+ MRC1-细胞更能促进血管生成(图5E)。接着研究对来自肾脏、心脏、肺和皮肤的MRC1+ CD83high和MRC1+ CD83low细胞进行了体外功能分析，发现MRC1+ CD83high的PraM细胞比MRC1+ CD83low的pre-PraM细胞更能促进血管生成(图5F)。这些结果表明，与其他Mf亚型相比，PraM细胞具有促血管生成能力。为了阐明这些细胞的空间特征，研究将重点放在PraM及pre-PraM丰富及特定标记物上(图5G和5H)。研究观察到女性性腺、肾脏、心脏、肺和皮肤中的Mf大部分是PraM及pre-PraM(图5G)。在大脑和皮肤中，可以通过MRC1和P2RY12的表达来区分PraM及pre-PraM(图5H)。研究通过分析每个器官的整个切片来测量Mf和动脉之间的距离，结果发现卵巢、肾脏、心脏和肺中，MRC1+ CD45+细胞(主要是PraM及pre-PraM)倾向于定位在血管周围空间(图5I)。

图5 促血管生成巨噬细胞的分子、功能和空间特征

6.YS衍生的Mf祖细胞(YSdMPs)分化为PraM和小胶质细胞及小胶质样细胞

这一部分通过检测不同组织驻留Mf亚型与YSdMPs的分化轨迹来探索人类YSdMPs的细胞命运。研究首先分析了YSdMPs与不同组织内Mf亚型之间的关系(图6A)，结果观察到肾上腺特异性Mf、红髓性Mf等Mf和带有YSdMPs的pre-PraM及PraM的存在潜在轨迹(图6B-6E)。研究进一步观察到三种Mf亚型与PraM相邻，表明可能存在分化联系，通过检查这些亚型的时间动态，研究观察到YSdMPs、pre-PraM和PraM连续出现(图6C)，这表明从YSdMPs到PraM的可能存在分化路径。因此，研究推断这些亚型之间存在分化联系，结果发现以YSdMP_AFPhigh为起点的分化轨迹:一条通向PraM, YSdMP逐渐分化为pre-PraM并最终成为PraM;另一条通向小胶质细胞(图6D)。此外，研究发现YSdMPs、pre-PraM、PraMMCs的伪时序与实际时间高度相关(图6E)。综上所述，这一部分研究通过转录梯度、实际时间、分化能力和基因模块表达的分析，证明了YSdMPs分化为小胶质细胞和PraM的轨迹(图6C-6E)。

图6 YS来源的巨噬细胞祖细胞分化为血管生成前巨噬细胞和小胶质细胞样细胞

7.不同Mf亚型的成熟动态和转录调控因子

在文章的最后一部分对Mf成熟过程的进行了分析。研究为了阐明Mf的成熟过程，将这些细胞按相应模块评分进行分层和排序，来呈现从未成熟到较成熟的分化过程(图7A)。结果观察到处于更成熟状态(模块评分更高)的细胞含有更高比例的发育后期细胞(图7A)。研究接着利用Mf MCs不同的成熟状态，识别出与各自Mf亚型成熟状态相关的不同转录调控因子(TF)集合(图7B)。研究发现这些TF包括已知的调控因子(小胶质细胞的SALL1，肠道Mf的AHR,等)以及未报道的与人类Mf特征相关的调控因子(图7B)。因此，作者认为单个Mf亚型的成熟是由亚型特异性TF调控的不同基因程序精密控制的。

图7 不同巨噬细胞亚型的成熟动力学和转录调控因子

到这里这篇文章的主要内容就介绍完啦。文章对不同时间节点产前样本的免疫细胞进行了单细胞转录组分析，揭示了15种Mf亚型的时空动态。文章发现小胶质样细胞在分子和形态上与中枢神经系统中的小胶质细胞相似，是表皮早期的优势免疫群体，呈极化分布且与神经嵴细胞相互作用。通过功能和空间特征，研究也识别了一个PraM亚型，其存在于多个胎儿器官的血管周围，没有组织特异性。研究还表明这些细胞来源于产生小胶质细胞的YS衍生Mf祖细胞。此外，研究发现单个Mf亚型的成熟是由亚型特异性转录因子精密策划的，这些转录因子调节着不同基因程序的动态。总之该工作为研究人类Mf的异质性和发育动态提供了全面参考，感兴趣的小伙伴不要错过呀。

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