Cell ：小鼠内皮细胞单细胞图谱

来源：BioArt

撰文 | 雪月

内皮细胞是组成机体血管系统的重要组成部分，维持氧气、营养物质输送，免疫细胞运输以及组织代谢物清除的重要功能。血管系统是由动脉、静脉和毛细血管组成的血管床构成的。血管床对于进出的血液以及淋巴管中淋巴液循环都至关重要【1】。有研究发现为了满足每种组织的独特生理功能需求，不同组织的内皮细胞之间具有异质性【2】。例如血脑屏障和血视网膜屏障是由紧密连接的内皮细胞组成，限制屏障的物质扩散。而肝脏中内皮细胞的可渗透性较大，促进物质交换。

目前有研究利用单细胞转录组分析技术探究单个组织中内皮细胞异质性。也有研究绘制小鼠多种组织的单细胞图谱，但并未深入分析内皮细胞异质性。单个组织内的内皮细胞异质性程度如何，与表型的关系以及特定血管床中内皮细胞异质性尚不清楚。

2020年2月13日，来自比利时Leuven癌症研究所Peter Carmeliet、中山大学李旭日和丹麦Aarhus大学的Yonglun Luo合作在Cell发表了题为Single-Cell Transcriptome Atlas of Murine Endothelial Cells的文章。该研究利用单细胞转录组技术分析了小鼠11个组织的内皮细胞，超过32000个单细胞转录组数据集，鉴定出78个内皮细胞亚群。为了做到资源共享，作者将数据集公布于网站https://www.vibcancer .be/software-tools/ec-atlas。

经过内皮细胞分离，单细胞转录组测序，数据质量控制，最终作者获得了来自11个成年小鼠组织的32567个内皮细胞的数据集。作者首先分析了内皮细胞组织间的异质性。利用分层聚类方法分析表明某些组织例如睾丸和脑、肝脏和脾脏、小肠和结肠在聚类树状图上聚集，说明这些组织在转录组特征上存在重叠。为了解释这一现象，作者利用分子特征数据库MSigDB中选择出的与血管相关的615种基因，并对单细胞数据集中的这615种基因进行了基因变异分析（gene set variation analysis GSVA）。分析发现各个组织的内皮细胞高表达的基因集参与不同的生物学过程。存在转录组特征重叠的组织之间存在相似的生物学过程。例如睾丸和大脑都存在血液-组织屏障，高表达跨膜转运相关基因。

分离内皮细胞流程图

11个成年小鼠组织内皮细胞单细胞转录组分析

为了研究驱动不同内皮细胞分化的潜在分子机制，作者使用单细胞调控网络聚类分析（single-cell regulatory network inference and clustering SCENIC）发现不同组织内皮细胞上调不同转录因子网络的表达。热土表达分析也验证了各个组织内皮细胞转录因子的转录上调情况。

接下来作者以每个组织内皮细胞前20或者50个标志基因集为基础将细胞分为特异性的亚型。最后作者共确定了组织中的78个不同的内皮细胞亚群，包括在不同组织都能检测到传统的内皮细胞群：动脉、静脉、毛细血管和淋巴管内皮细胞；组织特异性的内皮细胞亚型，如脑中的脉络丛；其他内皮细胞亚型，如脑、心脏中的干扰素激活型的内皮细胞，肌肉、睾丸中的血管生成型内皮细胞，肝脏和脾脏中的增值型内皮细胞。进一步分析发现特定的血管床中的内皮细胞转录组之间相似。血管床内部内皮细胞转录组相似性大于血管床之间。作者分析了内皮细胞代谢相关基因表达特征的异质性。利用分层聚类分析发现代谢相关基因与非代谢相关基因的细胞亚群分组类似。这也表明代谢代谢转录组特征有助于组织内皮细胞亚型分类。并且分析发现同一组织中不同血管床中代谢相关基因的表达也具有异质性，并且为组织依赖性。作者最后利用公开的单细胞转录组数据集验证了本研究中关于内皮细胞亚类分型的可重复性，并且指出内皮细胞分型不存在性别特异性。

本研究建立了在机体稳态的情况下，内皮细胞在各个组织中的表型以及亚型分类情况，这种内皮细胞图谱将有助于在肿瘤和眼部疾病的病理性血管生成过程中内皮细胞的表型探索以及可能的治疗策略的开发。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.01.015

参考文献

1. Potente, M., and Ma¨ kinen, T. (2017). Vascular heterogeneity and specialization in development and disease. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 18, 477–494.

2. Augustin, H.G., and Koh, G.Y. (2017). Organotypic vasculature: From descriptive heterogeneity to functional pathophysiology. Science 357, 357.