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【烈冰助力】2个样本(IF=7.1),烈冰用户高性价比单细胞文章实例教程 时间:2022-03-07

牙齿发育是一个长期且复杂的生物学过程,包括形态发生、组织矿化和牙齿萌发等一系列过程,其中涉及细胞分化,细胞交互,如上皮-间充质相互作用(EMT)。这些过程受各种信号分子的调节,然而现阶段对细胞间调节网络知之甚少。

本期文献解读,小编为您带来上海第九人民医院王绍义研究团队(施越琦为第一作者),于2021年10月发表在Cell and Bioscience(IF=7.134)上的文章  ——应用单细胞测序技术,解析牙胚发育信号通路,文章题目为A single-cell interactome of human tooth germ from growing third molar elucidates signaling networks regulating dental development。

烈冰生物参与本研究中的单细胞测序工作,下面我们一起了解一下本文的研究思 路和数据分析过程。

样本信息

实验样本:患者左下颌第三磨牙。

实验分组:stageA:stageD=1:1 。

牙胚发育状态(Demirjian等人提出的stageA~H评分评估第三磨牙的发育状态):stageA(牙尖钙化,没有其他钙化点的合并),stageD(牙釉质牙连接处牙冠完全形成)。

单细胞捕获平台:BD Rhapsody 平台

捕获细胞数:共9855个细胞

分析思路




结果分析

1. 人牙胚细胞类型鉴定

作者利用单细胞测序技术,共获得了9855个细胞,划分为11个cluster,主要包括免疫细胞(T细胞,中性粒细胞,巨噬细胞,单核细胞和树突状细胞)约占总数的83%,成骨细胞,破骨细胞,周细胞和内皮细胞。此外还发现了一种异质性基因(SOX9+)细胞群体(分为牙顶端乳头干细胞(APSC)和成釉细胞)。


图1人牙胚细胞类型及异质性SOX9+细胞群体

2. T细胞亚群及其细胞间相互作用模式

从单细胞数据分析中发现在总细胞中有42%的细胞为T细胞,进一步探究T细胞类型,利用Seurat聚类分析得到了8个T细胞亚群(图2A-D)。CellphoneDB分析发现T细胞亚群与其它细胞(釉细胞,破骨细胞间和单核细胞等)存在非常强的信号转导关系,但细胞间的信号转导通路存在显著差异(图2E-G)。


图2 T细胞亚型及其细胞相互作用模式

3. 中性粒细胞亚群及其细胞间相互作用模式

接下来,作者对中性粒细胞进一步细分获得了7个细胞亚群,细胞通讯分析发现中性粒细胞与内皮细胞存在较强的相互作用,特别是抗病毒中性粒细胞与内皮细胞相关性最高——通过CEACAM1-to-SELE通路介导中性粒细胞活化和迁移。


图3 中性粒细胞亚型及其细胞相互作用模式

4. 成熟成骨细胞间发育信号网络调控

作者进一步利用拟时序分析来探究成骨细胞的成熟过程,发现与成熟成骨细胞功能相关的基因OGN迅速增加,调节成骨细胞增殖的基因PTCH1、SCUBE3逐渐减少;Bone Morphogenetic Protein(BMP)信号通路下调表达,bone growth信号通路上调表达。另外利用Nichenetr网络分析预测了成骨细胞间的相互作用配受体作用,并发现TGFBR1,FGFR3TGFBR2与大多数关键基因相关。更进一步利用SCENIC分析发现8个关键成骨细胞系的基因(PTCH1, BMP7, EGR2等)。综上表明作者发现了一个参与调节成骨细胞分化的基因调控网络。


图4 调节成骨细胞分化的细胞间信号网络

5. APSC再生信号通路网络

APSC具有自我更新和增殖的能力,利用拟时序分析对APSC整个细胞周期变化进行预测,作者发现ASPC再生时存在再生相关基因(SERPING, DKK3HSPA1B)的表达,进一步利用差异基因表达分析,Nichenetr分析及SCENIC等分析,作者发现在APSC从静息态重新进入分裂期的过程中,与间充质细胞增殖相关的基因显著上调,与肿瘤坏死因子生物合成和糖胺聚糖分解代谢相关的基因显著下调,BMP-FGFR-MSX1通路在ASPC再生中起到了重要的作用。


图5 APSC细胞再生信号通路网络

6. 破骨细胞发育的信号网络

在牙齿和其他骨组织中,单核细胞和巨噬细胞可以不断转化为破骨细胞。作者通过差异表达基因分析及Nichenetr分析,发现BPMR1ACSF1R主要在巨噬细胞和破骨细胞中表达,而TNFRSF1BNOTCH1主要在单核细胞中表达,成骨细胞和巨噬细胞转化受不同信号通路调节,并发现了3个转录因子(EGR1, TCF4, SMARCA1)的特异表达。

图6 破骨细胞发育信号通路网络


总·结


该研究中鉴定了人牙胚细胞类型,发现了免疫细胞在牙齿发育过程中不仅起到了抵御病原物的作用,还分泌一些蛋白调控牙齿发育。此外,作者发现了调控牙齿发育的关键信号通路——BMP-FGF-MSX1信号通路。构建了人牙齿发育过程中的细胞间信号网络,为今后的牙齿再生工程和理解口腔病理学提供了新见解。

原文链接

https://doi.org/10.1186/s13578-021-00691-5