近日,由華大基因團(tuán)隊主導(dǎo)的對2個臍帶血樣本進(jìn)行10X Genomics單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組研究的成果于5月正式在線發(fā)表,此項研究采用BGISEQ平臺測序,發(fā)現(xiàn)臍帶血細(xì)胞具有特有細(xì)胞類型,相對外周血細(xì)胞具有明顯異質(zhì)性,相關(guān)結(jié)果發(fā)表在GigaScience(影響因子4.668)。如此少的細(xì)胞樣本,竟能發(fā)高分文章?光環(huán)背后必然有過人之處,接下來科技君帶大家一起研究文章思路,一一揭秘。
圖1. 文章整體研究思路圖
高分秘籍
? 樣本處理很成功
看似無奇的兩個臍帶血樣本,但是細(xì)胞分選前處理不易,每一步均需要快速穩(wěn)定處理,才能保證細(xì)胞活性,所以說,“根基”牢靠才是重中之重。
? 高通量細(xì)胞分選技術(shù) & 高性價比、高質(zhì)量DNBSEQ?測序技術(shù)
實現(xiàn)高效細(xì)胞分選,結(jié)合獨特的DNB納米球擴(kuò)增技術(shù),讓測序更保真,低DUP rate無需額外去冗余。
? 信息分析深挖掘
不僅對細(xì)胞類型進(jìn)行鑒定,還與已有的外周血細(xì)胞數(shù)據(jù)一起對比分析,選擇數(shù)據(jù)庫已測數(shù)據(jù)聯(lián)合,性價比高又增分。
細(xì)胞亞群異質(zhì)性分析細(xì)致,多種類型,尤其是對免疫細(xì)胞以及特有細(xì)胞類型對比分析,凸顯臍帶血含有特異性免疫細(xì)胞;還包含對已有細(xì)胞類型進(jìn)行細(xì)胞發(fā)育擬時間序列分析,分層次揭示階段性的基因表達(dá)差異,科學(xué)故事演繹完整。
原來如此,那么主要研究結(jié)果有哪些呢?
研究成果展示
01
鑒定到特有細(xì)胞類型,臍帶血細(xì)胞具有特殊的免疫力
采用Seurat軟件進(jìn)行細(xì)胞聚類,結(jié)果顯示:鑒定到11個細(xì)胞類型(圖2A),并對這11個主要的細(xì)胞類型的marker基因表達(dá)情況進(jìn)行熱圖分析(圖2B)。其中有核紅細(xì)胞和粒細(xì)胞為臍帶血中特有,在外周血中很少見。且兩類血液中各細(xì)胞類型除去T細(xì)胞,B細(xì)胞和CD14+細(xì)胞外,其他的類型細(xì)胞的比例差異較大,尤其是骨髓來源細(xì)胞,說明臍帶血具有特殊的免疫力。
圖2. 外周血和臍帶血不同細(xì)胞類型和比例
A. 二維對外周血和臍帶血細(xì)胞根據(jù)已知標(biāo)記進(jìn)行分類,左側(cè)圖為臍帶血細(xì)胞,右側(cè)圖為外周血細(xì)胞,對相同類型的細(xì)胞標(biāo)記相同的顏色
B. 臍帶血和外周血中主要的已知標(biāo)記的基因表達(dá)熱圖
C. 外周血樣本1/2 和臍帶血1/2細(xì)胞類型比例,使用相同的顏色(同分類A)標(biāo)記
02
臍帶血有核紅細(xì)胞在不同極性發(fā)育階段變化明顯
對有核紅細(xì)胞的表達(dá)基因進(jìn)行擬時間序列分析,結(jié)果呈現(xiàn)一個線性軌跡,說明細(xì)胞極性是由基因表達(dá)的不斷變化引起的(圖3A)。
基因表達(dá)熱圖分析發(fā)現(xiàn),這些基因如編碼紅細(xì)胞表面marker和蛋白,如 CD47, CD36, 血紅蛋白和血糖型蛋白,以及細(xì)胞穩(wěn)態(tài)調(diào)控因子等在不同的極性階段表達(dá)呈現(xiàn)顯著差異(圖3B,C),同時也驗證到基因表達(dá)量和UMI數(shù)量也隨著細(xì)胞極性發(fā)育而降低。
圖3. 臍帶血有核紅細(xì)胞呈現(xiàn)明顯的極性
A. 通過Monocle2軟件進(jìn)行臍帶血中的有核紅細(xì)胞發(fā)育時間軌跡分析
B. 編碼表面標(biāo)記基因表達(dá)分類根據(jù)時間點分為三個表達(dá)階段:原始階段,中間階段,成熟階段
C. 臍帶血有核紅細(xì)胞轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子表達(dá)也可以分為三類表達(dá)階段:原始階段,中間階段,成熟階段
D. 在每一個細(xì)胞中檢測到UMI數(shù)和基因數(shù)表達(dá)散點圖,每個點代表一個細(xì)胞
03
臍帶血祖細(xì)胞具有明顯異質(zhì)性
臍帶血的祖細(xì)胞與造血干細(xì)胞呈現(xiàn)類似的轉(zhuǎn)錄本表達(dá)譜,但是在細(xì)胞聚類結(jié)果中顯示,通過更精細(xì)分類分析,發(fā)現(xiàn)臍帶血祖細(xì)胞有一類特殊細(xì)胞亞群,說明臍帶血祖細(xì)胞具有異質(zhì)性(圖4A.B),更有意思的是,另外一類亞群細(xì)胞僅來自臍帶血祖細(xì)胞(藍(lán)色點),且不表達(dá)造血干細(xì)胞的典型標(biāo)記基因(圖4C,4D)。
圖4. 臍帶血樣本祖細(xì)胞呈現(xiàn)異質(zhì)性特征
A. 臍帶血和造血干細(xì)胞通過基因表達(dá)結(jié)果進(jìn)行聚類,結(jié)果顯示,主要分兩大類,其中藍(lán)色代表臍帶中間體雙效細(xì)胞(ulBC),紅色代表造血干細(xì)胞(HSC)
B. 造血干細(xì)胞(HSCs)和中間體雙效細(xì)胞(uIBCs)群體進(jìn)行聚類
C. 祖細(xì)胞亞類基因表達(dá)熱圖分析
D. 兩類細(xì)胞的特征基因表達(dá)差異比較的小提琴圖
E. 兩類細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子富集圖
F. 兩類細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄組因子小提琴圖
04
自然殺傷T細(xì)胞在臍帶血細(xì)胞中表現(xiàn)異質(zhì)性
選擇免疫細(xì)胞類型-NK細(xì)胞和T細(xì)胞以及附近區(qū)域細(xì)胞研究其異質(zhì)性,結(jié)果顯示,外周血細(xì)胞和臍帶血細(xì)胞聚類成5個亞類(圖5), 通過使用關(guān)鍵marker基因CD3D和KLRB1對細(xì)胞進(jìn)行聚類,發(fā)現(xiàn):T和NK細(xì)胞在不同血液類型中呈現(xiàn)比較明顯的異質(zhì)性。
圖5. 在臍帶血和外周血中NKT細(xì)胞和NK細(xì)胞顯示功能異質(zhì)性
A-D. 臍帶血(右)和外周血(左)中所有NK細(xì)胞和T細(xì)胞進(jìn)行亞群分類。臍帶血和外周血均分為5大類(C/D)。黃色顯示CD3D的高表達(dá);藍(lán)色表示KLRB1高表達(dá)細(xì)胞;紅色表示高度表達(dá)CD3D和KLRB1的細(xì)胞;灰色表示細(xì)胞不表達(dá)基因
E. 臍帶血和外周血中單細(xì)胞亞群中NK細(xì)胞和T細(xì)胞關(guān)鍵基因表達(dá)差異的小提琴圖(不同顏色代表不同亞群)
F. 臍帶血中含有GZMB+ NKT細(xì)胞和不含細(xì)胞毒素NKT細(xì)胞亞群表達(dá)基因差異的聚類熱圖
G. 臍帶血中含有GZMB+ NKT細(xì)胞和不含細(xì)胞毒素NKT細(xì)胞亞群表達(dá)基因GO功能富集分析
總的來說,這項基于單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)的研究揭示了未知的細(xì)胞類型、代謝途徑和基因表達(dá)調(diào)控,這些調(diào)控可能有助于評估臍帶血移植的療效和結(jié)果,拓寬了研究范圍和臨床創(chuàng)新。
華大科技推出的10X Genomics單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù),采用BGISEQ平臺,經(jīng)過多輪測試,其靈敏度、準(zhǔn)確度和重現(xiàn)性方面與H平臺具有高度可比性,為廣大科研人員提供了另一種高性價比測序平臺的選擇。
DNBSEQ?測序技術(shù)BGISEQ-500平臺優(yōu)勢
? 鑒定細(xì)胞數(shù)多
? 鑒定的單個細(xì)胞基因中位數(shù)可到1.5K以上
? 兩平臺鑒定到的細(xì)胞分類類型一致性高
表1. 主要基本分析結(jié)果對比
(數(shù)據(jù)來源腫瘤細(xì)胞各1條lane測序數(shù)據(jù))
圖6. BGISEQ-500平臺和H平臺細(xì)胞進(jìn)行降維分析-tSNE聚類分析,結(jié)果顯示,細(xì)胞分類結(jié)果趨勢一致性高
(紅色:BGISEQ-500平臺;藍(lán)綠色:H平臺)
基于10年的單細(xì)胞研究經(jīng)驗,華大科技已成功交付千例單細(xì)胞研究項目。現(xiàn)在,科研用戶足不出戶即可享受優(yōu)質(zhì)的10X Genomics上門建庫服務(wù),讓珍稀臨床樣本研究成為科研新貴。
【參考文獻(xiàn)】
Zhao Y, Li X, et al. Single-cell transcriptomic landscape of nucleated cells in umbilical cord blood. GigaScience. 2019 May 1;8(5). giz047.
doi: 10.1093/gigascience/giz047.
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