上海交大构建全时间尺度单细胞转录组图谱，提醒新的细胞代谢反响

liukang20244个月前 (05-04)今日吃瓜102

近来，上海交大校友、华盛顿大学生物医学专业博士生李海廓，以肾脏作为研讨模型，使用高通量单细胞办法，提醒了全新的细胞代谢反响。

在肾脏纤维化过程中，针对细胞损害修正反响、以及代谢调理机制，他进行了深入研讨。借此构建出一个双模型、11 个疾病展开时间点、24 个样本、以及 30 多万个高质量单细胞的转录组图谱。

（来历：Cell Metabolism）

据介绍，此前研讨往往局限于研讨肾脏纤维化的某个详细时期，一般以疾病晚期模型为主。

而本次作业根据多个肾脏纤维化模型，构建了“全时间”标准的单细胞转录组图谱。为该疾病在前中期的分子标准改变、以及细胞层面改变，带来了更深入的见地。

一起，本课题的首要发现在于：在缺血型肾脏损害模型的前期，存在一种明显增强的上皮细胞脂肪代谢反响，而这种代谢通路是之前从未被发现的。

在肾脏损害和纤维化范畴，研讨人员还初次提出了脂滴的重要性，这一发现推翻了人们对肾脏疾病中脂肪代谢的传统认知。

此外，该团队构建的肾脏纤维化图谱，也给上皮细胞的分解应激反响、上皮-基质相互效果等研讨，供给了高通量资源渠道。

并且，关于激活型脂肪代谢通路、以及脂滴包被蛋白 2（perilipin2，PLIN2）的调控，也都是全新的发现。

在进一步的体外试验中，课题组对 PLIN2 进行了开始的遗传学敲落，发现了随之而来的能量代谢失调。至于该基因在体内的遗传调控机制、以及临床转化的靶点价值，有待进一步的探究。

别的，前期的激活型脂肪代谢，和临床患者的晚期疾病严峻程度是否存在相关性？也是极具价值的后续研讨方向。

图 | 李海廓（来历：李海廓）

被人忽视的缓慢肾脏疾病

此次研讨效果和缓慢肾脏疾病休戚相关。该类疾病其实就在咱们身边，但却常常被咱们忽视。

全球范围内，超越 10% 的成年人口患有不同程度的缓慢肾脏疾病；在我国，患患者口据估计超越 1.2 亿，且这一份额极有或许跟着人口老龄化进一步升高。

其发病要素许多，包含高血压、糖尿病、感染、毒素堆集和杂乱的遗传要素等。可是，不管发病原因是什么，肾脏纤维化——是该病的共有特征性通路。

作为一种缓慢病，它在发病前期并没有明显的临床症状。因而，许多前期患者并不会认识到自己患病。可是，一旦展开到晚期（终晚期肾病），则会导致肾功能衰竭。

现在，针对终晚期肾病患者，除了肾透析或肾移植之外，全世界范围内仍未呈现公认的有用医治方案。

所以，此次课题的首要方针在于，使用小鼠肾脏损害和纤维化模型，探究疾病前中期的细胞损害修正反响、以及代谢水平的改变，助力人们了解该疾病从前期到晚期的展开过程，并致力于发现可用于前期确诊和医治的潜在医疗靶点。

因而，摆在该团队面前的使命之一是：怎么一起发掘多模型、多时期、多样本的肾脏细胞基因的表达形状？

这时，得先处理一些技能性难题：

难题一是，在传统单细胞测序技能中，一般只能对单样本、在单个试验中进行测序，若进行多样本符号，则受限于细胞通量；

难题二是，假设进行多个试验剖析、并进行大数据兼并，则受限于批次效应的算法处理、以及昂扬的单细胞文库构建本钱。

因而，经过文献调研，该团队选择了一个名为 sci-RNA-seq3 的新式单细胞转录组测序技能，它能在较低的预算范围内完成高通量、多样本的一起处理 [2，3]。

一起，他们对该技能进行了肾脏细胞特异性的办法优化，提高了办法的可重复性和基因检测灵敏度。

随后，课题组构建了文章开始说到的双模型、11 个疾病展开时间点、24 个样本、以及 30 多万个高质量单细胞的转录组图谱。

关于 11 个疾病时间点和 24 个样本，他们逐个进行深度的数据剖析。值得注意的是，在构建缺血型急性肾脏损害模型 6 小时之后（即模仿疾病产生后的 6 小时），该团队发现在近端小管上皮细胞中，呈现了脂肪代谢相关基因的高表达，暗示存在着上调的脂肪代谢细胞活性。

这一发现是出人预料的，由于之前有研讨发现在缓慢肾脏疾病的晚期，存在下调、被按捺的脂肪代谢通路 [4]。而在肾病前期，该通路的形状从未被系统性论述过。

因而在这篇论文中，课题组初次报导了这一内容：即脂肪代谢通路会在疾病产生约 6 小时后时间短地上调激活，包含脂肪酸氧化、脂质集合和水解等相关基因的表达上调。而当疾病展开到中晚期，这种“激活”形状会呈现出“被按捺”的通路活性。

接着，关于肾脏纤维化过程中的脂肪集合，研讨团队进行了定性剖析和定量剖析，借此验证了这一规则：在 6 小时的时间点中，存在明显的上皮细胞脂肪堆集。而这些集合的脂肪（以甘油三酯为主），会在 1-2 天后根本消失。

一起，对人体肾脏上皮细胞进行体外脂肪酸处理之后，他们还验证了如下规则：在肾脏纤维化过程中，脂肪酸氧化会被被激活、并能发挥脂肪代谢的效果。

（来历：Cell Metabolism）

除此之外，课题组还探究了脂肪堆集事情的分子层面的特征，并提出了下述猜测：这种敏捷的脂肪堆集，极有或许伴跟着脂滴的构成。

脂滴，是一种存储脂质的细胞器结构，它的组成必然会调集脂滴外表蛋白的基因表达。

根据此，结合单细胞转录组、以及空间转录组数据，课题组又揭开了一个新知识的“面纱”：在肾脏近端的小管上皮细胞中，PLIN2 是重要的脂滴符号物，PLIN2 基因能在脂肪集合的 6 小时内，提高超越 10 倍的表达量，继而助力于脂滴的构成、以及能量代谢稳态的调控。

（来历：Cell Metabolism）

近来，相关论文以《全面的单细胞转录谱界说了肾纤维化过程中共有和共同的上皮损害反响》（Comprehensive single-cell transcriptional profiling defines shared and unique epithelial injury responses during kidney fibrosis）为题宣布在 Cell Metabolism 上（IF 31.4）。

图 | 相关论文（来历：Cell Metabolism）

李海廓是榜首作者，全球闻名肾脏疾病和纤维化专家、华盛顿大学医学院教授本杰明·汉弗莱斯（Benjamin Humphreys）担任通讯作者 [1]。

“杂志修改和审稿人对咱们的办法学立异（即对 sci-RNA-seq3 的使用）、数据库的重要性（即超越 30 万个细胞的转录组图谱）和科学发现（即全新的脂肪代谢在肾病中的调理机理）均给予活跃点评。

审稿人也提出了一些主张，比方观测线粒体形状在脂肪集合过程中的改变、以及氧气使用率在脂肪酸氧化中的动态调整，咱们在此深表感谢，”李海廓说。

“一个从未被报导过的全新发现”

据介绍，在肾脏纤维化中，关于上皮细胞的去分解/再分解的损害修正机制、上皮-基质相互效果、以及基因组技能在疾病中的使用，汉弗莱斯教授具有深沉的经历 [5]。

而此次使用的单细胞转录组测序技能 sci-RNA-seq3 的开始版别，由华盛顿大学医学院基因组科学系教授杰伊·施耐德（Jay Shendure）课题组的曹俊越博士等人提出 [2]。

在此版别的基础上，该团队对其进行特异性优化，借此构建了高通量的肾脏纤维化转录组图谱。

再如，脂肪代谢在晚期缓慢肾脏疾病中的表型，曾被宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院教授凯塔琳·苏斯塔克（Katalin Susztak）等课题组报导过 [4]。这些前人的科学发现，给此次研讨带来了启示。

“我作为博士研讨生参加 Humphreys 课题组时，表达了关于单细胞技能疾病使用和临床转化的激烈爱好。

因而，当 Humphreys 向我介绍 sci-RNA-seq3 这个全新技能时，咱们一拍即合，决议首要展开该技能在肾脏中的特异性优化的研讨，”李海廓表明。

而这篇论文的作者数量很少，这在湿试验和干试验的紧密结合型论文中，是比较稀有的。其间，湿试验以分子生物学和生物化学试验为主，干试验以生物信息学&代码编写和数据处理为主。

对此他表明：“首要由于导师Humphreys 鼓舞我一起加强湿试验和干试验的科研练习，他以为未来的科学家应一起具有这两种才能，才能将大数据科学中的计算发现，更有用率地转化为生物理论模型的构建。而此次我也殷切认识到了湿试验、干试验二者的相得益彰和紧密联系。”

一起，最让李海廓感到激动人心的时间，莫过于发现了肾脏损害 6 小时后脂肪敏捷堆集的时间。

其时，他在数据剖析中发现了不寻常的脂肪酸代谢的基因表达。“直觉告诉我：我应该使用生物化学办法，去调查一下不同疾病阶段的脂肪含量。所以，我对包含缺血型肾脏损害 6 小时在内的、多个时间点的小鼠肾脏安排切片，进行了脂肪染色。然后，带着切片跑去显微镜房进行调查拍照，”他说。

当看到在 6 小时的时间点内，令人预料地呈现很多脂肪堆集时，在乌黑的显微镜房内，他不由得屡次“哇哦”。那一刻，李海廓认识到这是一个从未被报导过的全新发现。

（来历：Cell Metabolism）

事实上，关于单细胞技能等新式组学办法、在疾病和发育中的使用，李海廓有着激烈的科研热心。

在上海交大读大学时，他参加了致远学院和致远荣誉方案，这是一个重视基础学科培育的优秀试验基地。本科期间，李海廓曾屡次进行海外交流学习。之后，来到华盛顿大学读博。

此次论文就是其读博期间的效果之一，而相似的研讨办法，也能用于研讨其他安排器官。其表明：“我巴望在未来经过更丰厚的多组学技能办法，去答复穿插范畴的生物问题。也期望能在未来某个时间回国。上海交大的校训是‘饮水思源，爱国荣校’，这对我的影响很大，因而我等待能将本身所学，奉献到社会展开中。”

参考资料：

1.Li, Haikuo, et al. "Comprehensive single-cell transcriptional profiling defines shared and unique epithelial injury responses during kidney fibrosis."Cell Metabolism (2022).

2.Cao, Junyue, et al. "The single-cell transcriptional landscape of mammalian organogenesis."Nature 566.7745 (2019): 496-502.

3.Li, Haikuo, and Benjamin D. Humphreys. "Single cell technologies: Beyond microfluidics."Kidney360 2.7 (2021): 1196.

4.Kang, Hyun Mi, et al. "Defective fatty acid oxidation in renal tubular epithelial cells has a key role in kidney fibrosis development."Nature medicine 21.1 (2015): 37-46.

5.Humphreys, Benjamin D. "Mechanisms of renal fibrosis."Annual review of physiology 80 (2018): 309-326.

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