干货速递 | 10x Genomics单细胞多组学在肠道研究中的应用
2020.07.24

肠道是集内分泌、免疫、屏障和营养等复杂功能为一体的重要器官,除了为人熟知的消化和吸收功能,肠道还汇集了丰富的免疫细胞群落,包含着一个由数百万微生物组成的复杂生态系统。在肠道这个嘈杂的地方,各种肠道细胞如何各司其职,又与肠道微生物如何沟通协调,至今仍不甚了解。

自2009年问世以来,单细胞测序技术因其在揭示细胞异质性方面的极大优势,被广泛应用于肿瘤、发育生物学、免疫学、神经科学以及临床诊断等领域。在肠道研究中,单细胞测序在细胞图谱构建、稀有细胞类型鉴定、发育、肿瘤微环境等方面均取得了重大进展。

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利用10x单细胞平台进行肠道多组学研究的发文情况

根据10x Genomics官网统计,截止到今年7月,运用10x Genomics单细胞平台进行肠道多组学研究的文章已经超过30篇,其中9篇被顶级期刊CNS收录,主要研究领域集中在细胞图谱构建、癌症研究、发育生物学和免疫生物学。


肠道单细胞多组学研究文章列表

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前期,肠道相关的单细胞研究偏重于细胞图谱构建、器官/肿瘤的发生发育规律等,随着单细胞多组学技术的发展,肠道单细胞研究更加精细,而且与临床更加贴近,比如肿瘤转移特异性靶点的预测与鉴定、小肠上皮细胞在新冠病毒感染中的作用等。从整体上来说,肠道研究始终是高分文章频发的热点领域。接下来就让小编带您一探究竟,快速解锁肠道单细胞研究的文章发表思路吧~


谱系依赖的基因表达影响结直肠癌的免疫景观[1]


Lineage-dependent gene expression programs influence the immune landscape of colorectal cancer

发表时间:2020.05

发表期刊:Nature Genetics

影响因子:25.5

发表单位:韩国三星医疗中心、比利时鲁汶大学

材料选择:23名韩国(SMC)和6名比利时(KUL)的结直肠肿瘤癌组织和癌旁组织,共识分子亚型包括CMS1-4

可借鉴点:使用大规模10x单细胞转录组分析转移性结直肠肿瘤的肿瘤微环境。


研究思路

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研究总结

细胞发育进程和遗传的改变与肿瘤发生密切相关。本研究对来自结直肠癌组织和癌旁组织的91,103个未分类单细胞进行了10x Genomics单细胞转录组分析,基因表达谱数据反映出癌细胞存在分化程序和遗传信息的改变,这些遗传改变促进了由调节性T细胞、成肌纤维细胞和髓样细胞定向的免疫抑制微环境。本研究还发现,转移性结直肠癌的免疫疗法仅对错配修复缺陷的、微卫星不稳定性较高的肿瘤有效,这些肿瘤表现出免疫浸润,表明肿瘤细胞可以确定其免疫微环境。本研究对结直肠癌中细胞图谱和细胞间相互作用的总体观点,为有效的免疫肿瘤治疗策略设计提供了机理信息。

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结直肠癌免疫景观


人类结肠中独特的微生物和免疫环境[2]


Distinct microbial and immune niches of the human colon


发表时间:2020.03

发表期刊:Nature Immunology 

影响因子:23.5

发表单位:惠康桑格研究所

材料选择:从健康结肠的盲肠、横结肠、乙状结肠和淋巴处分离出的免疫细胞和肠道菌群

可借鉴点:首次同时研究了稳态下结肠黏膜菌群和免疫细胞,并探究了邻近菌群对免疫细胞激活、归巢、克隆增殖等的影响。


研究思路
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研究总结

肠道中存在着数百万种的微生物,它们在消化、免疫调节和疾病预防中起着重要作用。肠道同时具有丰富的免疫细胞群落,有助于修复组织并防御感染。为探究肠道微生物如何与肠道常驻免疫细胞相互作用,本研究对健康结肠的不同部分进行取样,同时分析了每个区域的免疫细胞和细菌微生物。通过对41,000个单个免疫细胞的活性基因进行测序,本研究鉴定到每个位置不同免疫细胞群体中开启的细胞类型特异性基因以及存在于同一结肠区域的细菌,以揭示免疫系统与细菌之间的相互作用。研究表明,不仅结肠不同部位的免疫细胞之间存在差异,其对应的微生物组也发生了微妙的变化,结肠下方的细菌种类更多。本研究使人们对健康的结肠组织中免疫细胞和微生物之间的关系有了新的认识,通过进一步深入研究特定区域的细胞,将为疾病特定区域的研究提供重要参考。

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稳态结肠中免疫细胞的异质性


单细胞分析结肠癌的髓系靶向治疗机制[3]


Single-cell analyses inform mechanisms of myeloid-targeted therapies in colon cancer


发表时间:2020.04

发表期刊:Cell

影响因子:36.2

发表单位:北京大学

材料选择:肠癌病人的癌组织、癌旁组织和外周血

可借鉴点:结合人结肠肿瘤的单细胞测序数据和小鼠肿瘤的单细胞测序数据,揭示了髓系细胞靶向治疗anti-CSF1R抑制剂和Anti-CD40激动剂对肿瘤浸润的免疫细胞亚群在细胞组成、细胞功能、胞间互作等方面的影响。


研究思路

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研究总结

免疫检查点阻断(ICB)能够破坏肿瘤细胞对免疫监视的逃逸,极大地改变肿瘤病人的治疗模式,广泛用于肿瘤免疫治疗。本研究使用10x Genomics及Smart-seq2两种技术对从结直肠癌患者中收集的免疫和非免疫细胞进行单细胞转录组测序,对结直肠癌患者的肿瘤微环境(特别是浸润髓系细胞类群)进行了系统性地刻画,分析了肿瘤相关巨噬细胞(TAM)和肿瘤相关树突状细胞(DC)的类群特征、谱系发育及其与T细胞和其他细胞间相互作用关系。基于以上结果,研究者分别对接受anti-CSF1R抑制剂和anti-CD40激动剂的小鼠模型进行单细胞测序,揭示了这两种靶向髓系细胞的免疫治疗策略潜在的作用机理。此项国际领先的开创性工作,建立了结合肿瘤患者及小鼠模型的单细胞转录组来研究肿瘤免疫治疗的范例,可为人们研究其他疾病中免疫细胞以及开发新的治疗方案提供思路。

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单细胞测序技术对结直肠癌进行细胞亚型鉴定


从肿瘤免疫微环境到免疫景观,再到免疫治疗策略,10x Genomics单细胞多组学犹如蓄势待发的引擎,推动着生命科学的巨轮乘风破浪!


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参考文献:
1. Lee H O, Hong Y, Etlioglu H E, et al. Lineage-dependent gene expression programs influence the immune landscape of colorectal cancer[J]. Nature Genetics, 2020, 52(6):1-10.


2. James K R, Gomes T, Elmentaite R, et al. Distinct microbial and immune niches of the human colon[J]. Nature Immunology, 2020, 21(3):1-11.

3. Zhang L, Li Z Y, Skrzypczynska K M, et al. Single-Cell Analyses Inform Mechanisms of Myeloid-Targeted Therapies in Colon Cancer[J]. Cell, 2020, 181(2):442-459.