【原】人体皮肤的单细胞转录组显示与年龄相关的成纤维细胞启动的损失

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文章信息

英文标题：Single-cell transcriptomes of the human skin reveal age-related loss of fibroblast priming

中文标题：人体皮肤的单细胞转录组显示与年龄相关的成纤维细胞启动的损失

期刊：《Commun Biol》

影响因子: 6.268     发表时间:2020 Apr 23

研究领域：皮肤成纤维细胞

文献概述

问题：成纤维细胞是人体皮肤结构和功能的基本细胞群。虽然成纤维细胞异质性已经得到充分证实，但这种现象尚未得到系统分析。

方法：分析了来自年轻和年老皮肤样本防晒区域的15，000多个细胞。

结论：结果定义了四个主要亚群，这些亚群可以在空间上定位并显示不同的分泌，间充质和促炎功能。重要的是，这种成纤维细胞"启动"随着年龄的增长而减少。衰老导致真皮成纤维细胞与其他皮肤细胞之间的相互作用显著减少，包括真皮 - 表皮交界处的未分化角质形成细胞。因此为人真皮成纤维细胞的功能特化提供了证据，并将细胞功能的部分丧失确定为人真皮中与年龄相关的重要变化。

背景扩展

皮肤

皮肤是生物体最外层的保护屏障，包括两个主要层，表皮和真皮。

表皮：是一种分层的鳞状上皮，由角质形成细胞（约95%）和其他少数细胞类型（如melanocytes, Merkel and Langerhans cells）组成。

真皮：是位于表皮下方的更厚的层，主要由其众多成纤维细胞产生的细胞外基质（ECM）组成，并且由于其所具有的各种结构（例如脉管系统，神经，汗腺和淋巴管）而包括许多其他细胞类型。

研究思路

实验结果

腹股沟髂区域人体皮肤的 scRNA-seq 分析

为了避免外在原因的皮肤衰老

皮肤的结构可能会因许多内源性和环境因素而有很大差异，为了除去内在时间上的衰老的真皮变化和外在皮肤的光老化的混杂效应，所以专门从不同年龄段的男性供体的防晒腹股沟髂区域获得了五个独立的全皮肤样本。两个年轻（25和27 y / o）和三个较老（53，69和70 y / o）的供体。

对整合后的来自所有五个样本的细胞UMAP聚类分群，17 个群。对这些分群的top3基因做了热图，分了九种主要细胞类型。皮肤的两种关键细胞类型--角质形成细胞（包括未分化的和已分化的）和成纤维细胞。

角质形成细胞的多样性主要是由于它们的分化程度。

成纤维细胞亚群的功能和空间特征

成纤维细胞单独提取出来，并没有重新聚类分群。但由于皮肤及其成纤维细胞在衰老时会发生特定变化所以仅使用来自年轻样品（1792个细胞）的成纤维细胞进行此分析。与胶原或ECM产生和组织相关的经典成纤维细胞功能在三个簇（#1，#3和#9)。簇#2中与炎症相关的功能有很强的富集性，包括炎症反应，细胞趋化性或细胞增殖的负调节。

在胶原表达模式水平上分析了四个成纤维细胞簇。与GO分析一致，结果清楚地表明簇#2中较低的胶原蛋白表达水平。在簇#9的成纤维细胞中特异性表达胶原基因COL11A1和COL24A1与软骨和骨骼发育有关，表明该细胞亚群的间充质成分更强。对于剩余的胶原蛋白和ECM分泌簇（#1和#3），簇 # 3 中的成纤维细胞表达COL13A1和*COL23A1 ，*这是成纤维细胞的两种已知标志物。

为了更好地预测真皮内观察到的四个成纤维细胞亚群的潜在定位，接下来研究了以前与乳头状或网状成纤维细胞相关的基因集的表达。乳头状成纤维细胞最具代表性的标志物包括 APCDD1 、 AXIN2 、 COLEC12 、APCDD1 和COL18A1 ，但网状成纤维细胞的特征通常由一组十个基因定义，包括MGP或MFAP5 等，乳头状基因表达特征主要限于簇 # 3 中的成纤维细胞。相比之下，簇 # 1 ， # 2 和 # 9 中的成纤维细胞显示出更突出的网状成纤维细胞表达，在簇 # 1 中观察到最高的网状表达水平。

综上所述，预测了两个在结构胶原和 ECM 组织中具有突出作用的亚群，一个位于网状真皮（簇 # 1 ，分泌 - 网状成纤维细胞）和另一个位于真皮（簇 # 3 ，分泌状成纤维细胞）。第三个亚群，预计具有更多的 网状成纤维细胞特性，显示出更大的间充质潜力（簇#9，"间充质成纤维细胞"）。第四个亚群具有大部分网状成纤维细胞特性，其特征在于促炎功能（簇#2，"促炎成纤维细胞"）。

皮肤切片中成纤维细胞亚群的验证

为了进一步表征和验证四个成纤维细胞亚群，由于没有发现所有亚群的细胞表面标记物具有足够的特异性，因此为了评估表征亚群的显微解剖分布，对年轻（28-37）和老年（54-86）供体的福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）皮肤切片进行RNA FISH。选择（ CTHRC1 ）和 （ APCDD1 ）分别检测网状和分泌状成纤维细胞。（CCL19）和（APOE）用来检测促炎成纤维细胞，（ASPN）为间充质亚群的标志物。（PDGFRA）被纳入成纤维细胞对照组。RNA FISH 实验分别证实了网状真皮层内每个分泌亚群的位置。促炎成纤维细胞显示出更广泛的分布和与脉管系统的优先关联。

最后，间充质亚群主要局限于网状真皮，特别是在毛囊附近。这种定位也通过Periostin的免疫荧光染色得到证实，Periostin是该亚群的另一个标志物。

衰老导致真皮成纤维细胞启动丧失

还研究了真皮成纤维细胞亚群水平上衰老的影响。相对而言，年老样品中间充质成纤维细胞的数量明显减少。由于年老可用组织切片中存在的毛囊量较低，因此无法通过实验证明这一观察结果。与老化细胞增殖能力降低一致，来自老年成纤维细胞的表达谱表明促炎和分泌亚群中细胞周期的 G1 / S 过渡显著延迟。对来自老年亚群最具代表性的基因的GO分析表明，每个簇的功能注释都存在相当大的年龄依赖性损失。与年轻的成纤维细胞亚群相比，老年显示出较少的功能相关term。胶原基因转录水平上也观察到类似的效果，其在分泌簇中变得特别减少。衰老也改变了先前定义的空间基因表达特征，因为老年乳头状成纤维细胞呈现较少和更多的网状基因表达特征，而网状成纤维细胞呈现不太明显的网状基因表达特征。结果与年龄相关的成纤维细胞启动损失一致。

衰老对 SAASP 谱和细胞间相互作用的影响

最后还分析了成纤维细胞亚群中与年龄相关的转录组学变化是否可以解释与年龄相关的皮肤表型。可以在不同的老年成纤维细胞亚群中观察到SAASP基因的差异表达谱。总之，scRNA-seq数据概括了与皮肤老化相关的已知表型。

最后，已知成纤维细胞在体内平衡期间与许多其他皮肤细胞类型建立相互作用。研究结果表明，在内在皮肤老化期间，年轻时成纤维细胞的大量相互作用都丢失了。这种效应在两个最老的样品（≥69 y/o）和涉及未分化角质形成细胞的相互作用中特别明显。表明成纤维细胞与其交流细胞类型之间相互作用的丧失代表了衰老人体皮肤以前未被识别的分子表型。

结论

(1) 以前的单细胞研究要么集中在从异质供体组获得的暴露在阳光下的组织上。或提供来自流动分选细胞的有限覆盖范围，而本文的研究分析了来自15，000多个皮肤细胞的单细胞转录组，这些细胞都是从健康男性供体的同一防晒位置获得的。能够最大限度地减少混杂效应，并提供人类真皮成纤维细胞内在年龄相关变化。(2)结果表明存在四种主要的真皮成纤维细胞亚群：分泌性网状，分泌性乳头状，促炎性和间充质成纤维细胞。(3) fibroblast priming的损失与年龄有关

读后感

下面这个文章也挺有意思，要是先发现这篇，应该就复现这个了Single-cell RNA-seq reveals fibroblast heterogeneity and increased mesenchymal fibroblasts in human fibrotic skin diseases

对这篇文章的复现主要学习到的是基因集的评分画在 UMAP 上，虽然和文中的图差不多，但是文中没有说明是用什么画出来的，所以我自己用了AUCell评分这种方式，不清楚准确性。基本上每篇文章学习一个复现小技巧。