人血细胞的单细胞转录组图谱

人血细胞的单细胞转录组图谱

文章信息

文章题目：Single-cell Transcriptomic

Landscape of Human Blood Cells

期刊：National Science Review

(IF:17.275)

日期：24 August 2020

DOI: /10.1093/nsr/nwaa180

摘要

背景：目前缺乏一个关于全血系统的单细胞层面转录组参考系。

方法：

1.使用Single-Cell Tagged Reverse Transcription RNA Sequencing (STRT-seq) strategy，分析21个健康献血者的32种免疫细胞类型，得到了总共7551个人血细胞，发现蛋白质编码基因和lncRNAs 构建的人血单细胞转录图谱（atlas of blood cells ，ABC）具有高度一致性。

2.使用SCENIC构建了转录因子和靶基因的调节网络，发现中性粒细胞和单核细胞中共同的转录因子调控网络被激活。

3.分析每个特定细胞群(HSPCs、B细胞、NK细胞、T细胞、单核细胞、中性粒细胞和红细胞)的分化轨迹和特征，发现有核红细胞与免疫信号通路密切相关。

意义：提供了单细胞分辨率的人血细胞转录图谱，从而为探索生理和病理造血提供了全面的参考。

实验设计及质控

样本：21个健康成人的骨髓和外周血的单核细胞

细胞：流式分选了32种血细胞，过滤后得到了7551个细胞进行下游分析。

Scheme of the experimental design

细胞过滤标准：

1.保留至少有1000个蛋白质编码基因表达的细胞，总共有7551个细胞符合要求。

2.保留至少有500个lncRNA 表达的细胞，总共有7192个细胞符合要求。

大致的单细胞下游分析流程：SCTransform → IntegrateData→RunPCA→ FindCluster→ FindVariableFeatures→RunUMAP →FindNeighbors and FindClusters →SCENIC →HOMER → bedtools →Monocle3 →scran

结果

1.人类血液细胞转录组参考系

首先，整体而言，HSPC和单核细胞表达的基因数量最多，而NK 细胞、T细胞和中性粒细胞的转录相对静止(图1B)。值得注意的是，与HCA数据库相比，他们的数据能够检测到更多的基因和转录因子用于深入分析(P<2.2e-16,图1C)，并且在检测低丰度基因方面尤其具有优势。

他们接着整合了所有造血细胞的单细胞转录组图谱，然后通过UMAP进行降维和可视化。发现从HSPC开始，向淋巴细胞(B细胞、NK细胞和T细胞)、髓系细胞(单核细胞和中性粒细胞)和红细胞分支，揭示了造血分化的总体轨迹。与B细胞、单核细胞和红细胞相比，他们发现NK细胞、T细胞和中性粒细胞缺乏从祖细胞到分化细胞的连续转录转移，这表明这些细胞在成熟过程中可能获得基因表达的”戏剧性“变化，或者存在已知的表面标记没有捕捉到的过渡群体(图1D)。

最后，他们观察到AVP在HSCs和MPPs中特异表达。CD79B、GZMH和CCR7分别在B细胞、NK细胞和T细胞中高特异性和高表达，SPI1和GATA1分别在中性粒细胞/单核细胞和红细胞中高表达(图1E)，验证了每种细胞中与造血相关的已知标记基因。通过对20多个健康献血者的多个典型造血群体的深度测序，他们的人类血细胞单细胞转录图谱为人类生理性和病理性造血研究提供了有价值的转录组参

考。

Fig.1 Transcriptome reference of human blood cells

2.造血分化的转录因子调控网络

为了解析造血分化相关转录因子调控网络(调节子)，使用SIENIC 计算了所有转录因子的调控活性分数(RAS)，然后构建了人类血细胞的调控图谱。结果显示，由调节子揭示的造血分化轨迹与单细胞转录组的数据结果总体一致(图2A)。

接着，通过无监督的聚类将造血细胞分成20个调控簇，称为C1到C20，每个调控簇都显示出高度特异的调节子集基因的激活(图2B)。在主要由HSPC细胞组成的C1/C2簇细胞中，HOX基因被激活。TCF4、EBF1和LEF1在代表B细胞的C3~C7簇中活性较高，浆细胞中PRDM1和XBP1活性较高，而NK/T细胞中GATA3和Tbx21活性较高。CEBP和SPI1在中性粒细胞/单核细胞系中显示出高活性，而GATA1和KLF1在红系中被激活(图2C)。值得注意的是，单核细胞和中性粒细胞共享大多数髓系特有的调节子基因，而淋巴细胞调节子则有着明显的细胞类型特异性，在B淋巴细胞成熟过程中调节子的变化证明了这一特点(图2C)。

Fig 2.Transcription factor regulatory networks underlie hematopoiesis

3.单细胞转录组的非编码RNA图谱

LncRNAs在造血细胞的分化和发育过程中起着至关重要的作用。然而，在单细胞水平下lncRNAs在造血细胞中的表达谱尚未见报道。因此，他们基于lncRNA表达水平，构建一个包含7192个血细胞的转录图谱。根据NONCODE数据库的基因组注释，32种免疫表型细胞平均可以检测到1700多个LncRNAs。与蛋白质编码基因一致，HSPC 和单核细胞表达的lncRNAs数量最多，而NK细胞、T细胞和中性粒细胞表达的lncRNAs数量最低(图3A)。而且仅用lncRNAs构建的造血分化轨迹与蛋白质编码基因构建的分化轨迹高度一致(图3B)。

为了进一步剖析转录异质性，他们计算了蛋白编码基因和lncRNA 在任何两种免疫表型细胞类型之间差异表达的基因（DEG）。DEG数