好文分享-單細胞測序數據深度挖掘再利用

研究背景

血管緊張素轉換酶2（ACE2）作為COVID-19的特異性受體在宿主細胞中發(fā)揮著(zhù)重要作用，從而使得新冠疫情大流行。與特異的肺泡II型細胞相比，ACE2在膀胱、回腸、腎和肝臟中相對的高表達。在本研究中，通過(guò)對五個(gè)組織的單細胞測序識別出ACE2高表達的細胞類(lèi)型；隨后，構建蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò )（PPIN），以識別形成功能性中心節點(diǎn)的潛在生物標志物。經(jīng)研究發(fā)現，腎素-血管緊張素系統和PPAR信號通路對加強新冠病毒感染具有重要作用，本文也顯示出PPAR蛋白家族在功能性中樞節點(diǎn)中起到重要的作用。為理解潛在標志物的功能，通過(guò)構建通路語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò )研究相關(guān)的通路，隨后，對識別出的通路用PageRank算法進(jìn)行排秩；接著(zhù)，這些通路網(wǎng)絡(luò )也由一些基本的代謝通路所構成，比如胰島素抵抗通路等。經(jīng)過(guò)一系列的研究表明，血管緊張素和PPAR蛋白質(zhì)家族可以認為是新冠患者可能的治療靶點(diǎn)。

研究流程

總的來(lái)說(shuō)，這篇文章遵循著(zhù)獲取數據、數據處理、識別特異的細胞類(lèi)型以及進(jìn)行語(yǔ)義通路的構建等的流程來(lái)進(jìn)行研究（Figure 1）。

材料和研究方法

從GEO中獲?。ò螂?、回腸、腎、肝臟和肺等）不同組織和器官的單細胞測序數據，膀胱的樣本是GEO accession no. GSE129845，sample GSM3723358; 回腸的樣本是GEO accession no. GSE134809，sample GSM3972018;腎的樣本是GEO accession no. GSE131685;肝臟的樣本是GEO accession no. GSE115469，肺臟的樣本是 GEO accession no. GSE122960。

SeuratV3.0用來(lái)產(chǎn)生原始的count矩陣，并篩選線(xiàn)粒體數>5%的細胞，然后用”LogNormalized”函數進(jìn)行標準化，并用乘以10000后取自然對數進(jìn)行歸一化。主成分方法用來(lái)構建k近鄰圖，細胞用”FindClusters”方法進(jìn)行聚類(lèi)，并用UMAP工具來(lái)進(jìn)行可視化。通過(guò)Wilcoxon秩和統計檢驗，使用“FindMarkers”函數將最小百分比設為0.25來(lái)識別每個(gè)聚類(lèi)中最高差異表達的基因標記。

研究結果

一、肺組織細胞特異的功能節點(diǎn)

由于A(yíng)CE2、AGT和PPARA在PAT2細胞中顯著(zhù)表達，因此PAT2細胞可作為肺組織的潛在的與新冠病毒感染的細胞。ACE2表達水平的表達圖提示肺對病毒血癥具有高度的易感性。然而，該研究也鑒定了兩種不同的細胞，即漿細胞和肥大細胞。在漿細胞中，三種轉錄均顯著(zhù)表達，而在肥大細胞中，AGT和ACE2顯著(zhù)表達。

二、膀胱和腎組織細胞特異的功能節點(diǎn)

在膀胱中，ACE2與尿路上皮細胞有較高的親和力，如Figure 3所示。與PPARA不同，來(lái)自PPAR家族的PPARG表達水平顯著(zhù)。從腎臟來(lái)看，ACE2在近端小管細胞和平滑肌細胞中表現出更高的親和力(如Figure 4所示)。

三、回腸與肝臟細胞特異的功能節點(diǎn)

回腸和肝臟是代謝系統的一個(gè)區域，兩個(gè)器官都有ACE2陽(yáng)性的上皮樣細胞。在回腸中，腸上皮細胞和纖毛上皮細胞有顯著(zhù)表達ACE2, AGT和PPARA（Figure 5），但是，Figure 6中顯示相對于其他器官，這些細胞表達水平相對較低。類(lèi)似地，膽管細胞是主要存在于肝組織中的一種上皮細胞。在這些細胞類(lèi)型中，ACE2、AGT和PPARA標記物的表達值較高。

四、通路語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò )結果

考慮到每一途徑的生物學(xué)過(guò)程，本文構建了語(yǔ)義相似度圖。ACE2在三種不同類(lèi)型的肺細胞中均有高表達，研究中分別在Figure 7A、B和C中給出了Mast、PAT2和漿細胞的通路語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò )。在膀胱中，ACE2在一種特殊的細胞類(lèi)型中表達，即尿路上皮細胞(如Figure 8A所示)。而在腎臟中，ACE2的近端小管細胞(如Figure 8B所示)和平滑肌細胞(如Figure 8C所示)表達率較高。在回腸細胞類(lèi)型，如纖毛上皮細胞(如Figure 9A所示)和腸上皮細胞祖細胞(如Figure 9B所示)顯示ACE2的顯著(zhù)表達水平。與膀胱器官相似，ACE2在肝臟中表達于一種特殊的細胞類(lèi)型，即膽管細胞(如Figure 9C所示)，ACE2表達水平顯著(zhù)。在通路語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò )圖中，節點(diǎn)表示一條特定的路徑，加權邊定義兩條路徑之間的相似度值，刻畫(huà)共享生物過(guò)程的最大數量。

在通路語(yǔ)義計算過(guò)程中，得到一個(gè)合成矩陣，利用該矩陣對每個(gè)細胞類(lèi)型進(jìn)行PR算法，并根據得分對細胞類(lèi)型進(jìn)行排序。我們發(fā)現腎素-血管緊張素系統(RAS)和PPAR信號通路在大多數prime細胞類(lèi)型中獲得較高的排名。此外，胰島素抵抗在這三個(gè)器官中也占有重要地位。Figure 10提供了一個(gè)熱圖，對應于來(lái)自不同細胞類(lèi)型的每個(gè)通路的PR值。如前所述，通過(guò)計算PR值和對應的rank來(lái)表示網(wǎng)絡(luò )中各個(gè)通路的影響。根據整體排名和得分，通路在heatmap中很好地分離。含有AGT和PPAR家族蛋白的通路在缺乏胰島素抵抗通路的回腸中排名靠前。此外,PPAR信號通路在肝細胞類(lèi)型中缺乏。有趣的是，皮質(zhì)醇的合成和分泌途徑在某些細胞類(lèi)型中起著(zhù)重要作用。

在單個(gè)細胞類(lèi)型中，受影響的細胞和通路調節之間的關(guān)系如Figure 11所示。只顯示了每個(gè)器官中高度表達ACE2的細胞類(lèi)型。從圖中可以看出，PPAR信號通路和RAS是感染后的主要通路。這種細胞類(lèi)型特異性的研究發(fā)現一些途徑在肺中是共同的，但影響率是不同的,對膀胱和腎臟也類(lèi)似。

研究結論

本文采用的基于單細胞的生物信息學(xué)策略旨在揭示器官特異性可能感染的細胞類(lèi)型。本研究的主要目的是確定COVID-19感染期間ACE2失調可能的通路連接。首先，從五個(gè)器官中檢測細胞類(lèi)型；此外，每一種有影響的細胞類(lèi)型都有一系列的生物標志物，標志物是根據與ACE2連接的交互功能樞紐來(lái)排序的。有趣的是，AGT和PPAR家族轉錄本在每個(gè)功能樞紐中都是具有共同的作用。這兩份轉錄本將ACE2和功能群落的其余樣本連接起來(lái)。根據相關(guān)文獻，既往觀(guān)察到血管緊張素和PPAR家族蛋白參與COVID-19等不同感染，在本實(shí)驗中，研究了PPAR信號通路的影響，PPAR通路和RAS信號通路已經(jīng)在hub-specific pathway語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò )中得到了證明。該網(wǎng)絡(luò )表明，上述途徑的顯著(zhù)調節可以影響正常代謝通路的正常功能，以及少數其他通路，如胰島素抵抗。因此，這些通路是COVID-19感染患者重要的治療候選靶標。

 

小編有話(huà)說(shuō)：

單細胞數據集的深度挖掘，通過(guò)構建通路語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò )可以揭示更多細胞特異的通路級聯(lián)反應和蛋白互作網(wǎng)絡(luò )，更加全面表征細胞間互作關(guān)系。數據集的挖掘依賴(lài)于生信工程師的專(zhuān)業(yè)技能，如此高大上的生信分析對于一般科研工作者來(lái)說(shuō)還是有一定門(mén)檻。不過(guò)百邁客強大的生信工程師團隊和云平臺（BMKCloud）已經(jīng)實(shí)現你零基礎分析的所有夢(mèng)想！52款APP實(shí)現高度自由個(gè)性化分析，118款工具、交互的個(gè)性化分析提供無(wú)上限分析實(shí)操，云平臺課堂高效助您方案設計和信息分析，百邁客云成為您的私人信息分析平臺，讓基因分析更簡(jiǎn)單。

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