通過空間組學技術和單細胞測序繪制人類卵巢的細胞圖譜

文章題目：Cellular atlas of the human ovary using morphologically guided spatial transcriptomics and single-cell sequencing
中文題目：通過空間組學技術和單細胞測序繪制人類卵巢的細胞圖譜
發(fā)表時間：2024.04.05
期刊名稱：Science Advances
影響因子：13.6
實驗平臺：DSP空間轉錄組學、單細胞RNA測序
DOI：10.1126/sciadv.adm7506

01 研究背景

該研究深入探討了人類卵巢的復雜結構和功能，并通過使用先進的遺傳分析技術揭示了卵巢的重要性，特別是在健康的生殖和內分泌中卵泡的作用。盡管卵巢在生育和內分泌健康方面具有重要性，但關于卵巢細胞的功能屬性知之甚少。由于健康的絕經前婦女的組織樣本稀缺，以及技術限制，研究卵巢極具挑戰(zhàn)。研究人員采用了空間組學技術和單細胞RNA測序技術，創(chuàng)建了一個詳細的人類卵巢細胞圖譜。該研究使我們能夠探索卵巢內各種細胞群體之間在空間上定義的相互作用，揭示了卵泡發(fā)育、激素產生和卵巢老化背后的功能單元和分子機制。該研究結合空間和單細胞圖譜的方法為未來研究卵巢中稀有細胞和病理狀態(tài)研究提供了參考，為理解卵巢的健康和疾病狀態(tài)提供了新的視角。

02 技術路線

03 研究結果

1. 人類卵巢的空間組學檢測
人卵巢的空間轉錄組學分析揭示了卵巢不同功能區(qū)域的基因表達模式(圖1)。研究對兩名健康供體卵巢的257個區(qū)域進行了分析，手動選擇了代表皮質、髓質、卵泡等已知功能單元區(qū)域(ROI),共覆蓋19種預定義的區(qū)域類型。主成分分析顯示,ROI的聚類與預定義的功能類型高度一致,如皮質樣本聚為一類、髓質樣本聚為一類、卵泡膜細胞樣本和卵泡顆粒細胞樣本分別聚類在一起，且兩個供體之間具有很好的重復性�？傊�,這些結果展示了卵巢組織的空間異質性。不同區(qū)域的基因表達特征與其功能密切相關。

Fig1. 人類卵巢的空間轉錄組分析流程

2. 原始和初級卵子的基因表達輪廓
利用DAZL抗體陽性的拆分方法，研究獲得了11個富集原始卵泡和初級卵泡中卵母細胞的樣本，并鑒定出76個卵母細胞特異性高表達的基因(圖2)。其中許多基因為已知的卵母細胞的標志基因，如TUBB8、ZP3、LHX8和OOSP2，而一些基因如PADI6、UCHL1、ZFANDA2和REC114，此前雖與卵母細胞發(fā)育相關，但未被報道為標志基因。例如，PADI6編碼肽基精氨酸脫亞胺酶家族成員，在小鼠卵母細胞中定位于細胞質并對早期胚胎發(fā)育至關重要，而UCHL1編碼泛素C末端水解酶，其活性影響小鼠受精和胚胎發(fā)生。這些新的卵母細胞特異性基因為深入研究人卵母細胞發(fā)育提供了重要的分子標簽。

Fig2. 人類卵母細胞的轉錄特征

3. 卵泡膜細胞和顆粒層細胞的基因特征
通過分析富集卵泡膜細胞和卵泡顆粒細胞的ROI,研究鑒定出45個卵泡膜細胞特異性基因和94個卵泡顆粒細胞特異性基因(圖3C)。兩個供體卵巢的不同卵泡樣本都展示出相似的細胞類型特征(圖3A,B)，證實了空間轉錄組方法的穩(wěn)健性。此外，在一個前卵泡中,通過分析卵母細胞周圍同心環(huán)狀的卵丘顆粒細胞層,發(fā)現(xiàn)其基因表達存在由內向外的梯度變化(圖3D,E)，如Wnt和PKA信號通路相關基因呈現(xiàn)反向表達趨勢。這提示卵母細胞可能通過旁分泌作用影響其周圍卵丘細胞的特性。

Fig3. 顆粒細胞和卵泡膜細胞的重要特征

4. 卵巢皮質的轉錄梯度和皮質與髓質間的功能異質性
研究系統(tǒng)分析了卵巢皮質和髓質區(qū)域的空間轉錄異質性。在供體1外皮質的11個連續(xù)薄層(每層30μm，跨度共330μm)中,發(fā)現(xiàn)了與激素信號(如NR4A1、STAR)和細胞外基質重塑(如VIM、COL家族基因)相關基因的表達梯度變化，且從表層到深部逐漸升高(圖4A,B)。在供體2中，皮質區(qū)和髓質區(qū)的分析揭示了卵巢表面到內部的轉錄變異(圖4C)，不同皮質區(qū)域本身也存在異質性,而髓質區(qū)域的基因表達相對均一。此外,通過比較富含原始和初級卵泡的皮質區(qū)域與無卵泡的外皮質，鑒定出了參與組織重塑和類固醇合成的 (如SPINT2、ARHGEF15)的差異表達基因(圖4E)，暗示這些基因可能在維持卵泡發(fā)育的皮質微環(huán)境中發(fā)揮作用。

Fig4. 皮質和髓質區(qū)域的轉錄異質性

5. 來自生育年齡婦女的三個卵巢的單細胞RNA測序
單細胞RNA測序技術進一步揭示了卵巢組織的細胞類型多樣性。通過對另外3個生育年齡婦女供體卵巢的21,198個細胞進行測序，鑒定出卵巢中存在4種主要細胞類型,包括基質細胞、免疫細胞、內皮細胞和周細胞(圖5A)，以及免疫細胞中的4個亞型：T細胞、NK細胞、巨噬細胞和肥大細胞(圖5B)。這些細胞類型和亞型都有各自特征性的標志基因(圖5C,D)。與已發(fā)表的單細胞數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn),不同研究所鑒定的主要細胞類型具有很好的一致性(圖S6)，而空間轉錄組數(shù)據(jù)則進一步細化了卵泡細胞類型的特征。

Fig5. 通過scRNA-seq分析鑒定人類卵巢中的細胞類型

04 主要結論

這項開創(chuàng)性研究首次在人卵巢組織和細胞水平進行了全面的轉錄組學分析,繪制了空前精細的分子圖譜。研究者利用空間轉錄組學技術對卵巢的不同解剖區(qū)域進行了系統(tǒng)采樣，證實了卵巢組織的顯著空間異質性,即皮質、髓質、不同發(fā)育階段卵泡等區(qū)域具有獨特的基因表達特征，反映了其結構和功能的精細分工與調控。此外,研究重點分析了卵母細胞、卵泡膜細胞和卵泡顆粒細胞,鑒定出它們各自特異的基因，并在卵泡內部細胞群之間發(fā)現(xiàn)了獨特的空間表達梯度，提示卵泡微環(huán)境的精細調節(jié)。同時,單細胞測序數(shù)據(jù)補充了間質細胞、免疫細胞等成分的多樣性信息。該研究還特別關注了原始卵泡密集分布的皮質區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了與原始卵泡激活相關基因的空間表達梯度，表明皮質微環(huán)境可能通過這些基因的作用形成有利于卵泡發(fā)育啟動的內環(huán)境。綜上,該研究深化了對卵巢結構功能的整體性認知，所獲得的海量數(shù)據(jù)資源和分子標志物將為生殖醫(yī)學研究和臨床應用提供重要的理論基礎和新思路。