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科研 | Science:人类血细胞中蛋白质编码基因的全基因组转录组学分析

 转录组 2021-04-20


编译:不二,编辑:十九、江舜尧。

原创微文,欢迎转发转载。

导读

在临床和科学研究中,血液都是人类进行分子分析的主要来源。它是许多治疗策略的目标,所以需要对构成人血的细胞进行全面的分子图谱分析。在这项研究中,研究人员对分选的血液免疫细胞群体中的蛋白质编码基因进行了全基因组转录组分析,表征血细胞类型的各个基因的表达水平。所有数据可在血液图谱中访问,作为人类蛋白质图谱的一部分,并与所有主要组织的表达谱整合在一起,提供所有蛋白质编码基因的空间分类。科研人员对人类免疫细胞群体和所有主要人类组织和器官的表达谱进行全基因组研究。

论文ID

原名:A genome-wide transcriptomic analysis of protein-coding genes in human blood cells

译名:人类血细胞中蛋白质编码基因的全基因组转录组学分析

期刊:Science

IF:41.037

发表时间:2019.12

通讯作者:Mathias Uhlen

通讯作者单位:瑞典皇家理工学院

DOI号:10.1126/science.aax9198

实验设计

本研究以人类血液作为实验材料,使用流式细胞荧光分选技术(FACS)分选细胞,捐献者包括3名女性和3名男性。分选的细胞立即进行RNA提取和cDNA合成,然后进行深度mRNA测序,测序数据经过严格的质控和过滤。其他表达谱数据来源于哺乳动物基因组的功能注释5FANTOM5)和基因型组织表达(GTEx)数据库。对所有数据进行生物信息学分析,结果利用质谱和免疫荧光染色进行验证。

人体单个血细胞类型分析概述图

结果

人类免疫细胞群体的转录组分析

使用流式细胞仪进行分选,对人血中主要血细胞类型进行全基因组转录组分析(图1A)。如图1B所示,从六个健康个体收集全血,并通过流式细胞仪分选分离出18种免疫细胞。细胞类型包括:初始B细胞和记忆B细胞、CD4CD8T细胞、自然杀伤(NK)细胞、三个单核细胞亚群、嗜中性粒细胞、嗜酸性粒细胞和嗜碱性粒细胞,以及浆细胞样和髓样树突状细胞。这些可以分为六种不同的血细胞谱系,分别由粒细胞、单核细胞、T细胞、B细胞、树突状细胞和NK细胞组成。分选的细胞立即进行RNA提取和cDNA合成,然后进行深度mRNA测序。鉴定了18个免疫细胞群中所有蛋白质编码基因(n=19670)的RNA表达水平,并创建可视化的血液图谱,作为开放获取的人类蛋白质图谱延伸版本(www.proteinatlas.org/blood)。

1 人类单血细胞类型分析的概述。

在血液图谱中,如图2A所示,18种细胞类型和外周血单核细胞(PBMC)显示了19670个基因中每个基因的表达水平。首先是参与过敏反应的CCR3,在嗜碱性粒细胞和嗜酸性粒细胞中都表达明显,但在嗜中性粒细胞中的表达水平低很多。接下来,已报道的促胰液素前肽(SCT)是在胃肠道(十二指肠和结肠)中产生的,在这里发现在人浆细胞样树突状细胞中表达。由NK细胞释放的杀伤细胞凝集素样受体F1KLRF1)可以刺激细胞毒性和细胞因子,但数据显示在gdT细胞和MAIT细胞中也表达。本研究分选的细胞纯度通过已知的标记基因表达模式进行了验证,例如仅在B细胞中表达的CD19,以及在调节性T细胞(Tregs)中表达的CTLA4。但是,C1QA一般富集于单核细胞中,在该分析中显示中间单核细胞和非经典单核细胞也高表达,而在经典单核细胞中无表达。除分选的单细胞类型群体外,PBMC也进行了转录组分析。

血细胞类型的整体表达谱

使用不同算法分析所有血细胞样本整体表达谱之间的关系,包括主成分分析(PCA)和UMAP分析。所有样本的所有细胞类型UMAP结果如图2B所示。来自不同细胞类型的样品显示出相似的整体表达谱,其中许多不同的B细胞和T细胞类型聚集在一起。基于18种细胞类型的表达谱的成对Spearman相关性的热图(图2C)显示,相似来源的细胞具有相似的整体表达谱,其中三种粒细胞类型具有最不同的表达谱所有的淋巴细胞形成一个单独的细胞簇,包括所有7T细胞与NK细胞聚集在一起,以及幼稚和成熟的B细胞聚集在一起。单核细胞与髓样树突状细胞和浆细胞样树突状细胞最相关。为了更详细地分析不同来源的细胞类型之间的相似性,研究者构建了转录组学衍生的造血细胞树图(图2D),以进一步说明不同单血细胞类型的整体表达谱之间的关系。

最近的两个转录表达谱研究显示,分别与本研究中的13种和27种血细胞类型的部分重叠,并包含在血液图谱中。三个不同数据集的所有细胞类型的UMAP结果如图2E所示,验证了各种类型的血细胞之间不同的表达谱。所有三个数据集中的蛋白质编码基因的全基因组表达水平可在血液图谱中获取(图2F)。当然,还需要进行更深入的分析,确定观察到的差异是否是由于样品处理的激活状态不同造成的,或者是由于样品处理和细胞分选的差异造成的,还是它们反映了代表欧洲、美国和亚洲不同人群之间的生物学差异。

2 蛋白质编码基因在人类单血细胞类型中的表达谱

所有主要器官和组织的全基因组转录组表达谱

利用涵盖血细胞表达谱以及正常组织表达谱的数据,对全身组织分析进行了修订。由于在较早的分析中仅对大脑区域进行了表面覆盖,因此研究者还决定使用来自GTExFANTOM数据库的数据来覆盖更多的大脑区域。将来自人类大脑区域的1710个样本添加到23个人类子区域的分类中,并归纳为大脑的12个主要结构区域(图3A)。此外,以免疫细胞为主的五种组织(胸腺、阑尾、脾脏、淋巴结和扁桃体)汇总为“淋巴组织”,而肠道中的四种高度相关的组织(十二指肠、小肠、结肠和直肠)汇总为“肠”,如图3A所示。比较分析还添加了一些其他组织,包括哺乳期的乳房、阴道、视网膜、输精管和舌头。将上述18种血细胞类型和PBMC的表达数据汇总为“血液”。171种不同的细胞、组织和器官进行了基于蛋白质编码基因的全基因组表达谱的分类,总结为37种组织类型。

通过应用两种不同的策略对转录组学数据进行标准化,分别进行样品内比较和样品间比较。对于样品内比较,使用对应于特定基因的转录本比例。研究者对每个样本中的每个蛋白质编码基因使用总转录本中百万分之一的转录本比例(pTPM)进行计算。样品中每个基因的pTPM值在人类蛋白质图谱中血液图谱页面显示。pTPM值是深度测序的样本内比较标准化数据,其中非编码RNA已从分析中排除。pTPM值可用于查看特定基因、基因家族或基因类别以及所有其他转录本在特定细胞、组织或器官中的丰度。

第二种标准化策略是为了在样品间进行比较,并可以避免由于采样、技术平台或不同类型组织之间的转录组大小差异而引起的批次效应,例如胰腺和唾液腺,其中有少量基因高度表达。当使用基于不同转录组学技术平台的组织样品时,多个来源的RNA测序数据结合来自FANTOM5的基因表达数据的分析。本研究使用了基于M值的均值(TMM)、Pareto scalingR语言包Limma的标准化来计算每个样本中每个基因的标准化表达值(NX)。在人类蛋白质图谱中,每个基因的NX值与所有组织和细胞类型的pTPM值平行显示。使用NX值的目的是基于人类血细胞、组织、和器官,分析细胞、组织和器官之间基因表达的差异。

使用样本内标准化(pTPM)和样本间标准化(NX)来研究不同组织和器官中检测到的基因数量,在两种情况下均使用cutoff值为1在图3B中显示了各个组织的结果,分析表明大多数样品中检测到的基因数量相似,但有一些显著例外,包括少量高转录本表达的组织,例如骨髓(血红蛋白)、胰腺(消化酶)、肝脏(白蛋白)和唾液腺(消化蛋白)。

修订后的所有人类基因的组织分类

在所有37种细胞、组织和器官中,根据外源数据的蛋白质编码基因的表达来完善分类。在图3C中显示在最近添加的组织中检测到的一些基因的例子。第一个例子,阴道中的CRABP2在维生素A信号通路中起重要作用,在鳞状粘膜中表达,在基底上鳞状上皮中细胞核和细胞质都呈阳性。另一个例子是乳房的ZNF80,是一种功能未知的蛋白质,在血液和乳房组织中显示出细胞核阳性,并在视网膜上皮的CRX圆锥杆感光层中显示呈细胞核阳性。

根据对组织特异性和组织分布的评分,对所有19670个基因进行了分类。在所有蛋白质编码基因中,有56%(n=11069)在至少一个被分析的组织中显示出升高的表达,并且这些基因又细分为:i)与其他组织相比,一种组织类型的表达水平至少高出四倍的基因(基于NX值);(ii)在少数组织(25个)中具有丰富表达的基因;(iii)组织中表达水平仅适度升高的基因。蛋白质编码基因中有2845个基因(占14%)在至少一个被分析的组织中富集(图3D),在所有被分析的组织中仅未检测到216个基因。分类显示了每种组织类型的组织特异基因的数量,以及在不同组织分组中富集的基因的数量(图3E)。以前报道的结果显示,在睾丸中发现的组织富集基因数量最多。但是,现在研究者在大脑中发现了数量最多的高水平表达的基因,这很可能是由于与早期版本的图谱相比,现在包含了更多的大脑区域。特异性分类展示了基因的富集,而分布分类展示了基因表达的组织比例。仅737个基因(占4%)被限制在一个组织中,而几乎一半的蛋白质编码基因在所有组织中表达(n=9638)。

利用PCAUMAP以及基于细胞、器官和组织类型之间全基因组相关性的分层聚类,使用样本间标准化值(NX)研究了整体表达谱。生成的树状图(图3E)显示,与所有其他组织相比,睾丸和大脑的表达谱最不同,血液与淋巴组织和骨髓的相关性最高。总体结果与每个组织的起源和功能非常吻合,例如,许多女性组织都聚集在一起,以及由心脏和骨骼肌组成的横纹肌,这两个组织紧密相连。

在图3F中,显示了有关组织特异性和分布分类的所有19670个基因,并介绍了两种分类方案的全基因组关系,其中只有586个基因是“组织特异性”的,并且只能在单个组织中检测到。相对较少的基因(n=1637)发现被富集在分组的组织中,这个较低的数字很可能是由于一些组织已被归类在一起,例如淋巴组织、肠和脑。43%(n=8385)的基因被归类为“低组织特异性”,其中大多数在“全部检测到”类别中发现。人类所有主要器官、组织和血细胞结果显示了所有19670个蛋白质编码基因的组织特异性和分布,这些结果可在人类蛋白质图谱中获取。

3 所有主要组织和器官以及免疫细胞类型的人类整体基因表达谱的分类。

不同细胞和组织中的转录组

转录组的分析能够确定每种分析的细胞类型和组织中不同基因的转录本的比例。研究人员根据样本内标准化的pTPM值(图4A)和样本间NX标准化值(图4B揭示了一些代表性血细胞类型和组织的转录组使用情况。根据编码分泌蛋白、膜结合蛋白和细胞内蛋白的基因,对这些蛋白进一步分类。值得注意的是,对于胰腺和唾液腺,分别有多达80%和50%的编码转录本(基于pTPM)是分泌蛋白质。表明这些“分泌细胞工厂”用于细胞外蛋白生产,少数基因负责转录组负荷。胰腺中最丰富的编码蛋白质的消化酶,例如脂肪酶(PNLIPCLPS)、蛋白酶(PRSS1CELA3A)和肽酶(CPA1CPB1)。唾液腺中含量最丰富的蛋白质是功能未知的SMR3BSTATH,后者可防止唾液中磷酸钙沉淀,维持唾液中高钙水平,这主要用于牙釉质的再矿化。唾液腺中第二和第四丰富的蛋白质是抗菌肽(HTN3HTN1)。同样,肝脏中分泌蛋白的比例也很高,最丰富的是白蛋白(ALB)、触珠蛋白(HP)和载脂蛋白A2APOA2)。

相反,在心肌的所有pTPM值中大于60%编码的是膜蛋白,主要由线粒体蛋白组成,鉴于心肌对能量的极度需求,这并不意外。对于大多数组织和所有血细胞,细胞内蛋白质构成了大部分的转录组负荷,例如,骨髓中的血红蛋白(HBB)和皮肤中的角蛋白(KRT10)是最丰富的转录本(图4C)。在血细胞中,具有优势遗传的基因较少,尽管嗜中性白细胞中最丰富的转录本是编码细胞内铁蛋白轻链(FTL)的基因,FTL是铁蛋白的亚基,铁蛋白是负责细胞内铁储存的主要蛋白。转录本丰富但几乎没有已知功能信息的基因的一个例子,是干扰素介导的跨膜蛋白2IFITM2),该蛋白在嗜中性粒细胞中高度表达。转录组图谱显示了每个组织的特异性,其中很大一部分转录负荷与各个组织类型中相应细胞的功能相关。

检测到的基因和“看家”基因的数量

对多种样本中检测到的基因数量的分析(图4D)显示,在多种组织类型(血液、脑、肠和淋巴组织)的四个组合组中检测到了约16000个基因,单个组织中显示的基因数量略少(平均约14000个),其中睾丸除外,检测到16598个基因。这与分析细胞系(每个细胞系约9500个基因)和单血细胞类型(约10000个基因)时检测到的基因数量少相反。与单细胞类型分析相比,在组织中检测到更多基因,因为它反映了组织中存在多种不同细胞类型的存在。与单血细胞相比,在细胞系中检测到的基因数量略少,这是由于细胞系的体外分化所致。

在所有分析过的组织中检测到几乎一半(49%)的蛋白质编码基因(图4E),这些基因包括编码线粒体蛋白质的已知“看家”基因,以及参与整个细胞结构、翻译、转录和复制的蛋白质。对人类细胞系的分析表明,在所有样品中均检测到4101个基因。同样,对18种单血细胞类型的分析表明,在所有免疫细胞中都普遍检测到了5874个基因。如果将组织、细胞系和单血细胞类型组合在一起,则所有样品中检测到的蛋白编码基因的数量将减少到3399个(图4E)。与使用全基因组CRISPR-Cas9敲除法确定必需基因相比,这个数字仍然要大得多,后者分别鉴定出18241527个对细胞存活无条件重要性的基因。这表明许多基因存在于所有细胞中,但是它们在细胞系中的功能冗余。总之,研究者鉴定了全基因组敲除筛选中必不可少的基因,并且在所有血细胞、细胞系、组织和器官中都检测到了这些基因。该基因列表包含许多与复制、翻译和细胞过程相关的看家基因,需要更深入的研究来探索所有组织中检测到的基因的功能,但敲除筛选并没有确定这些基因是必需的。

“缺失基因”的数量(即在任何组织或细胞类型中未检测到的基因)减少到216个,仅占蛋白质编码基因总数的约1%。因此,通过将基于抗体的数据与UniProt的人工注释相结合以及基于质谱的蛋白质组学分析的结果,研究者修订了所有蛋白质水平的基因数量。分析表明,从三种方法中的至少一种鉴定出的蛋白质编码基因为17660个,从至少两种方法中获得的实验证据鉴定了15155个基因。此外,还有1794个基因仅在RNA水平上有证据,这些基因显然是更全面的功能蛋白研究的目标。值得注意的是,第11号染色体比其他染色体具有更多的缺失基因,这可能是由于其嗅觉基因数量很高。

4 各种组织中的整体表达谱分析。

人类血液免疫细胞中细胞类型特异性表达谱的分类

接下来,研究者对血细胞中的表达谱进行了全基因组分析,以鉴定免疫细胞中表达升高的蛋白质这在细胞类型水平(n=18种细胞类型)和细胞谱系水平上进行,其中将各种细胞类型组合为六组,包括T细胞、B细胞和粒细胞。五个特异性类别中每个类别的基因数量如图5A所示,其中1448个基因被分类为细胞类型富集的细胞类型,而5934个(30%)的蛋白质编码基因中在至少一种人类血细胞类型中升高。许多基因(n=3797)在任何血细胞中均未检测到,而9939个显示出在血细胞中表达的低特异性。细胞类型分布显示,在单一细胞类型中仅检测到1713个基因,而在所有18种细胞类型中均检测到5934个基因。两种分类方案的关系进行了比较,显示889个基因是细胞类型富集的,并且在单个细胞类型中检测到。这些基因对于进一步研究以探索与各个不同细胞表型相关的生物学功能是有意义的。热图显示了所有1448种免疫细胞类型富集基因的转录本表达谱,结果表明大多数发现于嗜中性粒细胞、嗜碱性粒细胞和浆细胞样树突状细胞中(图5B),而组别富集的基因在18个细胞类型中分布更均匀。

所有细胞类型富集和组别富集基因的网络图(图5C)揭示了一个T细胞簇和另一个髓样细胞簇。两种类型的B细胞群体(成熟和幼稚)之间也共享许多基因(n=114)。在图5D中,显示了根据表达谱聚类的不同血细胞类型中升高的基因数量,突出了嗜中性粒细胞、嗜酸性粒细胞和浆细胞样树突细胞中许多细胞类型富集的基因,而许多TB细胞中升高的基因中的一部分在这些淋巴细胞的亚群中富集。

这里生成的大量数据还使科研人员能够研究(全身)组织表达与单个血细胞类型表达之间的关系。在图5E中,显示了所有单个基因的概述,并分别基于在所有组织和血细胞类型中的分布进行分类。所有主要组织和器官也显示出在一种或几种血细胞类型中主要表达的基因。值得注意的是,在所有组织中检测到的许多基因仅在某些血细胞类型中检测到,这表明它们对于细胞存活不是必需的。

5 人类血细胞的细胞类型特异性分类。

血液免疫细胞类型中富集的基因

对基因的细胞群富集和细胞组别富集的定义,研究者分析了18个免疫细胞群中的富集基因6A显示了每个细胞群中最丰富的前五个基因,根据它们在膜中、分泌的或细胞内的预测蛋白质位置用颜色标记。例如,在图6B中,包括过氧化氢酶(CAT),一种编码关键抗氧化剂酶的基因,该酶将有毒的过氧化氢转化为水和氧气,并在大多数细胞的过氧化物酶体中广泛表达。研究数据表明,嗜酸性粒细胞中CAT的表达水平非常丰富,这远远高于其他任何免疫细胞群体的表达水平。另一个值得注意的发现是趋化因子受体CXCR6,它在MAIT细胞中的表达比其他任何细胞群体都高,这表明该受体及其配体趋化因子CXCL16在调节MAIT细胞运输中具有特别重要的意义。MAIT细胞是一群T细胞,近年来由于其通过识别细菌和真菌核黄素生物合成途径,在抗菌防御中的作用中引起了广泛兴趣。这些细胞表达多种运输受体,但它们在血液和组织之间的循环有一定的争论。

另一个例子是颗粒酶BGZMB)基因,由细胞毒性T细胞和NK细胞分泌的一种已知的丝氨酸蛋白酶,是靶细胞凋亡所必需的。研究发现,GZMB的表达在浆细胞样树突状细胞(pDC)中高度富集。数据表明,pDCGZMB的表达比其他任何细胞类型高约5倍,这表明GZMBpDC中的重要功能。有趣的是,pDC细胞群体还表现出一些其他基因(AXLPPP1R14ASIGLEC6ITM2CDAB2)的表达水平升高。由于GZMB变异与自身免疫性疾病白癜风相关,pDC可能在这种疾病的发病机理中发挥未知的作用。为了在蛋白水平上验证pDC中表达的升高,利用质谱对血液免疫细胞进行了分析,结果证实了与NK细胞和CD8+ T细胞相比,pDC细胞质中GZMB的蛋白水平更高(图6C)。

研究者通过基于DESeq2的大量差异表达分析,来比较两个细胞谱系或两个细胞群体的差异表达基因。细胞谱系BT细胞之间的比较显示了许多具有差异表达的基因,包括B细胞标记基因,例如CD19CD22CD79,但是还有一些以前未报道但在B细胞中升高的基因,例如RASSF6ZNF860。同样,被鉴定为T细胞标记基因的包括,例如CD3CD6ICOSTHEMIS,以及未报道但在T细胞升高的其他基因,例如RASGRP1FGFBP2

引起先天性免疫错误的基因表达

在最近的原发性免疫缺陷疾病(PID)列表中,有354种疾病被列为与224个已知的免疫系统相关基因的单基因缺陷导致的后果。人们通常不完全了解疾病的机制,研究者认为对已鉴定基因的细胞表达进行分析可以帮助产生更好的假设,以进行进一步的机理研究。本研究分析了18个分类的免疫细胞群以及一些组织中的224PID基因的NX水平,并鉴定了7个组,它们具有共同的细胞和组织分布(图6D)。第一组(A组)由T细胞和NK细胞的11种蛋白质组成,例如CD3ZAP70LCK(图6E)。第二组(B组)由所有血细胞中的15个基因组成,但在其他组织中的表达要低得多。C组由组织和免疫细胞类型中普遍表达的基因组成。D组由34种主要来自肝脏的蛋白质组成,并且涉及已知的血浆蛋白质,例如C5C8C9E组由特异细胞谱系中表达的蛋白质组成,例如仅在B细胞中表达的CD19CD79AF组由单核细胞和树突细胞中表达升高的基因组成,G组由淋巴组织和骨髓中相对表达较高但在血液循环中免疫细胞类型表达较低的基因组成。可以观察到一些有趣的表达模式的例子,包括引起特异性粒细胞缺乏症1SG1)的CEBPE基因(E组),在嗜酸性粒细胞中高表达。这种情况是与复发性化脓性感染相关的嗜中性粒细胞缺乏症,但细胞类型表达模式表明CEBPE主要由嗜酸性粒细胞表达,而不在嗜中性粒细胞中表达。在嗜中性粒细胞发育过程中或刺激后,CEBPE也可能在嗜中性粒细胞中表达,而结果表明,SG1中也应考虑嗜酸性粒细胞缺乏症。这个例子说明更新后的人类蛋白质图谱的有效性,因为新基因可能是人类患者免疫缺陷和其他疾病的可能原因。

6 血细胞类型特异性基因和组织特异性基因之间的关系以及引起先天性免疫错误的基因分析。

讨论

本研究提供了人类血细胞中所有蛋白质编码基因表达的图谱,并且该数据与人体主要组织和器官的所有基因的组织特异性分析相结合。血液图谱资源作为人类蛋白质图谱一部分,提供包括其他来源的表达数据。并且能与其他数据源进行比较分析,例如单细胞基因组学、蛋白质组学和基于抗体的检测,实现单个人血细胞类型的全面分子概况。此外,组织图谱还补充了来自GTExFANTOM5的大脑和其他正常组织类型的转录表达数据。引入了标准化策略,该策略整合各种不同的数据集在细胞、组织和器官之间进行分类。这样就可以分析血液免疫细胞类型以及各种组织和器官的细胞类型特异性表达。所有蛋白质编码基因的细胞和组织分布进行了分类修订。

人类血液的全面单细胞类型分析以及更多的脑区域和组织分析,改变了某些组织特异性模式。大脑中升高的基因数量最多,而睾丸富集的基因最丰富,由比任何其他组织高四倍的表达定义。更多的细胞和组织也使我们能够提供更多基因的证据,而没有蛋白质或RNA证据的缺失基因总数现在仅为200个左右。对于血细胞,提供了所有蛋白质的全面列表,这些蛋白质显示了在各种细胞类型中的富集表达,既验证了已知的蛋白质标记基因,又鉴定了可以进行深入分析的靶标,以研究血细胞的基本生物学特征,并开发新的基于免疫的诊断和治疗的靶标。本研究提供的示例展示了血液图谱的潜力,及其对细胞类型富集基因的鉴定。

评论

这种新创建的资源阐明了单个免疫细胞群体的基因表达,可以更好地了解涉及免疫系统的疾病。单细胞基因组学的兴起将成为此类研究的良好补充,鉴定以前未描述的低丰度细胞亚群。研究还强调了与人类原发性免疫缺陷相关的224个基因的细胞类型特异性表达,并且科研人员发现了与它们各自的临床表型相关的细胞类型特异性表达模式。这些基因的很大一部分在大量细胞类型中表达,因此有必要采取一种整体的全身范围的方法来鉴定对人类健康和疾病至关重要的基因。为了促进此类研究,研究者将血液图谱所有数据整合为人类蛋白质图谱的一部分,可以在全基因组范围内探索免疫细胞群体表达的蛋白质编码基因,以及与在所有主要的人体组织和器官中空间表达模式相关的基因。


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