Nature | 告别“细胞孤岛”：研究人员发现人体“细胞共同体”！探究衰老、更年期与癌症的幕后“推...

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为了回答这个问题，研究团队开发了一个创新的计算框架，名为 CoVarNet 。这个框架的核心思想是，如果不同的细胞亚群在样本中的丰度 (abundance) 表现出高度协同的变化，那么它们很可能共同参与了某个功能模块。CoVarNet通过两个并行模块来重建CM网络：

非负矩阵分解 (NMF)： 识别出多组“乐手组合”，每组中都有一系列细胞亚群因其权重而优先被选中，成为CM网络中的“节点”。

特异性相关对分析： 识别出在不同样本中高度特异性协同变化的细胞亚群对，这些对可能构成CM网络中的“边”，连接各个“节点”。

最后，通过拓扑和统计学评估，构建出最终的CM网络。

将CoVarNet应用于构建的泛组织单细胞图谱，研究团队共识别出12个具有独特细胞组成、组织偏好和空间组织的细胞模块 (CMs)。值得注意的是，由于上皮细胞 (epithelial cells) 的高度组织特异性，它们被排除在CM分析之外。结果显示，绝大多数（88.16%）的非上皮细胞亚群（76个亚群中的67个）参与了至少一个CM，其中有四分之一（17个亚群中的67个）甚至参与了多个CM，这强调了细胞模块的普遍性和细胞的多功能性。

这些CMs并非随机组合，而是体现出清晰的功能偏好：

免疫细胞模块 (Immune CMs)： CM04、CM05、CM06和CM09主要富集在骨髓 (bone marrow) 和胸腺 (thymus) 等初级免疫器官，以及淋巴结和脾脏等次级免疫器官，其细胞组成也以免疫亚群为主，与它们在免疫细胞产生、成熟和储存中的作用相符。

生殖系统模块 (Reproductive System CMs)： CM07和CM12对生殖系统有显著偏好，包含卵巢 (ovary)、阴道、乳腺 (breast) 和前列腺 (prostate) 中特化的成纤维细胞。

泌尿消化系统模块 (Uro-Gastrointestinal CMs)： CM02和CM03主要分布在泌尿系统 (urinary system) 和胃肠道 (gastrointestinal tract) 中。

屏障组织模块 (Barrier Tissue CMs)： CM08富集在皮肤 (skin)、口腔黏膜 (oral mucosa)、舌头 (tongue)、阴道和气管 (trachea) 等屏障组织中，可能代表黏膜相关淋巴组织 (mucosa-associated lymphoid tissues) 中的多细胞生态系统。

血管单元模块 (Vascular Unit CM)： CM10表现出血管单元的功能特征，包含周细胞 (pericytes)、平滑肌细胞 (smooth muscle cells) 和血管内皮细胞 (vascular endothelial cells)，富集在脉管系统 (vasculature)、心脏 (heart)、皮肤和脂肪 (fat) 组织中。

代谢过程模块 (Metabolic Process CM)： CM11富集在肺 (lung)、肾脏 (kidney)、肝脏 (liver) 和脂肪组织中，暗示其在代谢过程中的作用。

通用组织架构模块 (Universal Tissue Architecture CM)： CM01由组织驻留巨噬细胞 (tissue-resident macrophages)、通用成纤维细胞和淋巴内皮细胞组成，广泛分布于几乎所有人体系统中，表明它可能代表一种通用的多细胞组织形式。

为了验证这些发现的稳健性，研究团队还将CMs与GTEx (Genotype-Tissue Expression) 项目的大规模批量RNA测序 (bulk RNA-seq) 数据进行了整合分析。结果显示，所有CM类型 (CMTs) 都能在批量数据中很好地重现，并且CM相关细胞亚群的标记基因 (marker genes) 表达模式在两种数据类型间表现出高度一致性，进一步证实了CMs作为跨组织多细胞生态系统的有效性。

空间“舞者”——细胞模块的精妙布局与功能启示

如果细胞模块是“乐器组”，那么它们在组织中的具体位置和排布就如同乐团的“座次表”，这直接影响了它们如何协同演奏。研究团队利用空间转录组学技术，将识别出的CMs映射到真实组织的空间背景中，揭示了它们令人惊叹的空间组织模式。

皮肤中的CMs

研究人员首先观察了在皮肤中富集的CM08和CM10。分析显示，这些CMs中的细胞亚群表现出显著的空间共定位 (spatial colocalization)。

CM08： 包含多种免疫细胞，如树突状细胞 (dendritic cells) 和T细胞 (T cells)，主要定位在表皮 (epidermis) 和相邻的真皮 (dermis) 层。这暗示CM08在皮肤免疫防御中扮演着关键角色。

CM10： 代表血管成分，主要位于真皮层。有趣的是，一些CM08亚群（如静脉内皮细胞E04）也与CM10亚群有重叠，这突显了组织微环境中不同CMs之间的相互联系。

小肠中的CMs

小肠是一个具有独特解剖学组织的器官，研究发现在小肠中CM02、CM03和CM05表现出显著富集。通过分析同一供体连续的四个回肠 (ileum) 切片，研究观察到这些CMs一致的空间模式。

CM05： 在派尔集合淋巴结 (Peyer’s patch) 区域表现出较高的空间集中度。这个区域是肠道免疫感应的重要场所，其中包含的细胞亚群如幼稚B细胞 (naive B cells, B03)、幼稚T细胞 (naive T cells, CD4T03) 和滤泡辅助T细胞 (follicular helper T cells, CD4T04) 表现出显著的共定位，这与CM05作为黏膜免疫的诱导模块 (inductive module) 的功能定位一致。

CM02和CM03： 主要位于肠道黏膜 (intestinal mucosa) 中，其细胞组成包含IgA产生性浆细胞 (IgA-producing plasma cells, B12)、记忆T细胞 (memory T cells, CD4T06) 和组织驻留记忆T细胞 (tissue-resident memory T cells, CD8T03和CD8T04)，以及先天免疫细胞 (innate immune cells, 108和109)。这表明CM02和CM03可能代表黏膜免疫的效应模块 (effector modules)。

为了更深入地理解CM02和CM03的功能，研究人员利用高分辨率的Xenium空间转录组数据进行了精确定位。通过设计一个基因面板来区分CM02和CM03内的多个细胞亚群，并用基因转录密度 (gene transcript density) 来表示CM的强度，结果显示：

CM03在固有层 (lamina propria) 表现出显著富集。

CM02在组织中分布更均匀。

这种微妙的空间差异，仅凭Visium数据难以发现，突显了整合单细胞和空间数据的重要性，以及单细胞方法在剖析复杂多细胞生态系统中的卓越敏感性。

这些空间分析结果表明，CMs作为基本的组织结构单元，能够有效地概括多细胞生态系统的复杂性，为理解组织稳态的机制提供了宝贵线索。

细胞“密语”——模块内部的协同通讯与微环境塑造

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