Interpretación de la literatura|Espectro espacial y temporal del proceso de desarrollo intestinal humano
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Análisis espacial y temporal del desarrollo intestinal humano a resolución unicelular
Revista editorial: Cell (if: 41.582)
Fecha de publicación: febrero 2021
Tecnología de aplicación: secuenciación unicelular del genoma 10x, secuenciación del transcriptoma espacial del genoma 10x, etc.
El intestino es el órgano barrera más grande del cuerpo humano. Nace con la flora intestinal que coordina las necesidades nutricionales y la inmunidad. Múltiples tipos de células interconectadas constituyen el intestino maduro y su morfología única, pero la base molecular de su desarrollo no está clara. Para el estudio, se recolectaron 77 muestras intestinales de 17 embriones en diferentes momentos de desarrollo y ubicaciones de tejido. Se utilizaron la secuenciación del transcriptoma unicelular y las mediciones del transcriptoma espacial de 10x Genomics para mapear la distribución espacial de los datos del transcriptoma unicelular, lo que demuestra la morfogénesis a lo largo del tiempo, la ubicación y los compartimentos celulares. Además, se compila un recurso en línea integrado, que incluye diversidad celular, señalización celular y redes reguladoras transcripcionales, para resaltar el origen y el destino de posicionamiento de las células progenitoras.
1. Clasificar 101 tipos de células intestinales según el tiempo y espacio de desarrollo.
El análisis de conglomerados se divide en 9 luces intestinales, células epiteliales anotadas, fibroblastos, endotelio (EC), pericitos, nervios (ENS), miometrio, mesotelio y miofibroblastos según etiquetas transcripcionales, células y células inmunes. Se encontró que eran significativamente diferentes en ubicación y tiempo de desarrollo. Con base en genes marcadores clave, realizamos anotaciones celulares detalladas, * * * encontramos 101 tipos de células, mapeamos interacciones de los 101 tipos de células e identificamos supuestas interacciones receptor-ligandos entre las dos poblaciones de células (RL).
2. Ubicación espacial de células individuales
Realice un análisis del transcriptoma espacial (ST) en el tejido e identifique de 5 a 13 grupos de puntos en cada sección, mapeándolos en una ubicación discreta. Utilizando el atlas unicelular como referencia, se determinó la posible composición del transcriptoma unicelular de cada punto para ubicar espacialmente todos los subconjuntos unicelulares. 2893 genes profundamente correlacionados (
3.? Desarrollo epitelial intestinal humano
La formación de criptas epiteliales uterinas establece un circuito de por vida que mantiene la barrera mucosa. Secuenciación unicelular obtenida 65,438+ 07,622 epitelios células, clasificadas en células absorbentes, secretoras, indiferenciadas y madre según genes marcadores. En este estudio, se observaron diferencias significativas entre las muestras proximales (intestino delgado [SI]) y distales (colon). genes altamente específicos y confirmados mediante análisis de locus y varios módulos TF, indican posiciones específicas antes de la formación de criptas.
4. Desarrollo y origen de las células madre epidérmicas.
Los investigadores observaron un aumento progresivo. en las células madre epidérmicas proximales y distales a lo largo del tiempo, en contraste con las diferencias posicionales anteriores en los programas transcripcionales de las células madre epidérmicas, como LEFTY1 distal y LEFTY1 proximal terminal FOXD1 y sus genes de red reguladoras posteriores. PCW), los investigadores identificaron una población de células progenitoras similares a células madre epiteliales proximales que se desarrollan en células epiteliales intestinales tempranas, incluida VTN, que se expresa altamente en células madre mesodérmicas. La expresión de ONECUT2 se asocia con el desarrollo epitelial específicamente en estas. ?SI es un regulador temprano del endodermo de ratón cuya expresión se pierde en gran medida después de 12 PCW. La alta expresión de transferrina (TF) en estas células confirma la importancia del metabolismo del hierro en la formación de vellosidades. La vía es el comienzo del desarrollo de células madre epidérmicas.
Las células secretoras aparecen a las 12 PCW y se detecta una pequeña cantidad de células caliciformes a las 8-10 PCW. Sin embargo, después de las 12 PCW, se detectan células caliciformes y células enteroendocrinas. aumentan gradualmente en número, lo que refleja una maduración continua.
Las células secretoras se subdividieron en 11 subpoblaciones, lo que refleja los diferentes subtipos de células enteroendocrinas y células de Paneth específicas de SI, células caliciformes y NEUROG3? +?Población de células progenitoras. La diversidad de células enteroendocrinas y redes asociadas se establece en gran medida con la formación de criptas.
En comparación, ¿BEST4/OTOP2? Las células aparecen por primera vez antes de la formación de las criptas, sus niveles de transcripción ya difieren y su frecuencia no cambia con el tiempo, lo que sugiere que su desarrollo puede ser independiente de los circuitos normales de las criptas y las vellosidades. Además, los resultados del análisis predicen BEST4/OTOP2? Tienen fuertes interacciones con las neuronas (también establecidas temprano en el desarrollo).
6. Angiogénesis intestinal
Las firmas transcripcionales a menudo corresponden a características estructurales, que se pueden observar claramente en las células endoteliales. Las células endoteliales se dividen en venas, arterias y vasos linfáticos, y además se distinguen por el tamaño de los vasos. Durante el desarrollo, se observa una transición de vasos sanguíneos pequeños a grandes, lo que refleja la angiogénesis intestinal. A diferencia de las células endoteliales, los subtipos de células periféricas están impulsados por factores de angiogénesis (PRRX1, THBS4? y ANGPT2). Estudios adicionales revelaron que en momentos anteriores, la mayoría de las células eran progenitores altamente reciclados.
7. Sistema nervioso entérico y muscular propia
A diferencia de los tipos de células formadas a finales del 7-8 PCW, las células derivadas de la cresta neural entérica migran a lo largo del tracto gastrointestinal y Ingrese a la submucosa y al plexo mientérico que contienen neuronas y células gliales. En este estudio se identificaron diferentes células progenitoras neuronales y gliales, y se capturaron 5 subpoblaciones gliales y 7 neuronales. ¿En el intestino adulto, donde los plexos nerviosos están rodeados de músculo, las células progenitoras y las células diferenciadas del músculo liso intestinal (iSMC) están controladas por PLPP2? ¿Y qué pasa con ACTA2? Marcadores isogénicos. Este estudio identificó 11 grupos relacionados con iSMC, incluido PDGFRA? + Células de Leydig y población de células mesenquimales tempranas en Cajal. Este estudio identifica KLF7 en las células musculares, una red de factores de transcripción clave que describe las células musculares. ¿TWIST2 en células de Leydig y OM? . ¿FOXF2? Es particularmente activo en los músculos internos, similar a los resultados informados en ratones.
8. Desarrollo de células mesenquimales de la lámina propia intestinal
Basado en la nomenclatura establecida en la secuenciación del transcriptoma unicelular de adultos, los fibroblastos se denominaron subtipo de fibroblastos 1-4 (S1-S4). Además, se subdivide en 16 categorías según el tiempo, el lugar y el período. Las células tipo S3 no sólo forman la población de fibroblastos dominante en el útero sino que también exhiben una mayor heterogeneidad en comparación con los adultos. El análisis de trayectoria reveló que las células inmaduras tipo S3 se dividen en linajes S3 o S1/2/4. Además, las células progenitoras tipo S3 estaban altamente enriquecidas en la cámara proliferativa, lo que sugiere que estas células pueden generar una gran cantidad de fibroblastos diferenciados durante este período.
En cortes de transcriptoma espacial fetal, la expresión de algunos genes específicos de S3 se localizó en sitios adyacentes a estructuras vasculares en tejidos adultos, y las firmas de tipos de células fetales se transfirieron a cortes de transcriptoma espacial de adultos. ¿Los resultados muestran que S3? ¿MANO1+ y S3? Las contrapartes adultas de las células EBF+ se agrupan alrededor de grandes vasos sanguíneos, lo que destaca un posible papel de estas células en la configuración del soporte vascular intestinal.
9. Mapeo imparcial para guiar los gradientes en la morfología del desarrollo intestinal.
Una pregunta fundamental para comprender el desarrollo intestinal es cómo se producen los gradientes locales de morfógenos y sus antagonistas que dan forma a la morfología de las vellosidades intestinales. En este estudio, se creó un mapa morfogenético que involucra ocho vías para ilustrar las funciones espaciales y temporales de estas moléculas. Se identificaron módulos morfogenéticos con 11 especificidades de tipo celular y 13 ubicaciones espaciales mediante análisis de expresión. Estos módulos generalmente coinciden con la profundidad del tejido en el transcriptoma espacial, y el módulo espacial 3 está compuesto por morfógenos de células endoteliales, fibroblastos y pericitos y se encuentra en lo profundo del tejido.
10.? Los fibroblastos S2 son específicos de un sitio y controlan la formación de células epiteliales.
Los fibroblastos S2 o granulocitos terminales que rodean las criptas proporcionan soporte epitelial al expresar ligandos de la superfamilia del factor de crecimiento β (TGF-β) y la vía WNT. En este estudio, se identificaron tres subpoblaciones S2 distintas durante el desarrollo y estos genes específicos de S2 forman los principales módulos morfogenéticos de los fibroblastos submucosos, incluidos DLL1, BMP5? ¿Y qué pasa con NRG1? .
Junto con las interacciones con los receptores, esto resalta la importancia de las células S2 y el rico nicho morfogenético que proporcionan en la epitelización. Este estudio confirmó que el marcador S2 F3 está presente antes de la formación de depresiones y que las protuberancias formadas aumentan gradualmente con la formación de vellosidades. Por lo tanto, en el intestino humano, los fibroblastos de tipo S2 no sólo son necesarios para el mantenimiento de las criptas epiteliales sino que también pueden desempeñar un papel activo en su formación.
11. Desarrollo de la inmunidad intestinal humana
a.? Heterogeneidad de las células inmunitarias durante la formación del tejido linfoide
En este estudio, se capturaron durante el desarrollo 2.199 células inmunitarias, incluidos 6 linajes (macrófagos, monocitos, células dendríticas, eosinófilos, linfocitos adaptativos e innatos). Las células inmunitarias son más comunes en el colon que en el colon y son especialmente raras en el primer trimestre. Antes de las 10 PCW, se observó un enriquecimiento de células mieloides, mientras que a las 12 PCW se produjo una gran afluencia de CD4+ y CD8+ vírgenes. Células T, células NK, células linfoides innatas (ILC) 1 y ILC tipo 3.
Los fibroblastos B.S4 son clave para la formación y mantenimiento de estructuras linfoides.
Otros mediadores clave de la formación de la mancha de Peyer incluyen las células estromales, que promueven la degeneración del tejido celular inducida por el tejido linfoide a través de CCL19, CCL21 y CXCL13. Este estudio encontró que están ubicados específicamente en dos subpoblaciones de fibroblastos S4 y que su expresión aumenta con el desarrollo. El mapeo de las interacciones del receptor en subconjuntos de células S4 resalta las interacciones con varias células inmunes, incluso a través de VCAM1-ITGB7? Enviar señal ILC3. Esto respalda aún más el papel de S4 en la formación de tejido linfoide.
Para confirmar estas interacciones espaciales, este estudio examinó cortes transcriptómicos espaciales de adultos, en los que los folículos linfoides submucosos son estructuras únicas. Los genes marcadores clave para S4 y las células inmunes se expresan en y alrededor de estos folículos. El análisis factorial confirmó múltiples células inmunitarias adultas (células B, células T y células mieloides) y tipos de células S4. Este estudio también identificó una localización significativa de pares de receptores clave en el transcriptoma espacial, lo que indica que las células S4 son fibroblastos adyacentes al folículo en el colon adulto y actúan de manera dependiente del tiempo durante el desarrollo del tejido linfoide intestinal fetal. En conjunto, esto demuestra que los fibroblastos que rodean la misma cripta en los ganglios linfáticos de Peyer sirven como células de soporte de los nichos de las criptas epiteliales, coordinadores de la formación de tejido linfoide y mediadores de las interacciones estromales-inmunitarias, revelando así sus capacidades altamente dinámicas reconocidas hasta ahora desconocidas.
12. Mapeo de la base celular de las enfermedades intestinales congénitas
Para descubrir defectos transcripcionales críticos en el tiempo que pueden contribuir a las enfermedades intestinales congénitas, este estudio combinó 749 genes de enfermedades conocidas. -Los datos del transcriptoma celular de este estudio correlacionan enfermedades congénitas con fenotipos que pueden expresarse a través de defectos altamente específicos de tipo celular y aquellos que conducen a enfermedades patológicas de tipo intestinal, ventral, perineal, ganglionar, inflamatoria o neoplásica.
En este estudio, se combinaron la secuenciación del transcriptoma unicelular y la secuenciación del transcriptoma espacial para mapear los cambios en la morfología intestinal a lo largo del tiempo. Identificamos 101 estados celulares, incluidos progenitores epiteliales y mesenquimales, y etapas importantes asociadas con la morfogénesis clave. Este artículo describe los principios de la formación del eje cripta-vellosidad, la morfogénesis neural, vascular, mesenquimatosa y las poblaciones inmunes intestinales, determina los niveles de diferenciación de los subtipos de fibroblastos y miofibroblastos en desarrollo y aclara sus diferentes funciones. Se aclara el origen de las placas granulares y del tejido linfoide asociado al intestino y se describe un programa inmunológico específico del sitio. Este estudio aprovecha este recurso para presentar un análisis de gradiente morfogenético imparcial que puede guiar el continuo de la diferenciación celular y definir células y ubicaciones relevantes para enfermedades intestinales raras del desarrollo y compilar un recurso en línea disponible públicamente, STAR -FINDer para promover trabajos de investigación relacionados posteriores.
Referencia
Análisis espacial y temporal del desarrollo intestinal humano a resolución unicelular. Celda, 2021, 184:1–17.
Liu Jing|Redactor publicitario