人体是由多种组织与器官共同构成的多细胞生命体，细胞作为核心单元，在维持人体的体内平衡发挥着重要作用。因此，识别人体器官细胞的特征及其相互作用对研究与疾病相关的生物学机制具有重要意义。
作为一种新兴技术，单细胞RNA测序（scRNA-seq）可以同时得到数千个单个细胞内大量基因的表达信息，从而揭示不同细胞类型的转录组特征及细胞间异质性，这有助于在单细胞水平下研究人体组织和器官发育。已有研究利用scRNA-seq绘制了许多人类和小鼠的器官单细胞转录组图谱（如大脑、肺、肾脏及皮肤等），然而这些研究大多来自于不同个体或者聚焦于具有疾病症状的特定器官。同一个体中多个器官的单细胞转录图谱及器官间异质性问题目前尚未报道过。
为填补这一空白，近日，何晓顺/贝锦新/郭志勇合作团队利用scRNA-seq在单细胞水平上分析了来自同一个成年个体的15个器官的超过84,000个细胞的转录组数据，对不同细胞类型进行了组织内和组织间的全面比较，绘制了成人细胞图谱。该研究已发表在Genome Biology上，文章题为“Single-cell transcriptome profiling of an adult human cell atlas of 15 major organs”。
文章发表于Genome Biology期刊
研究者从一名成人捐赠者的15个不同器官的组织样本中提取出可存活的单细胞，样品处理后对其进行高通量测序，检测分析了84,363个细胞的单细胞转录组，绘制了成人人类细胞图谱（包括252个细胞亚型）。在该捐赠者的多个组织样本中发现了一些新的细胞亚型，如：汗腺上皮细胞、Coch+成纤维细胞和FibSmo细胞，与多重免疫荧光染色分析结果一致。此外，通过聚类分析确定了15个器官中的43个簇，进一步鉴定了几种主要细胞类型（T细胞、B细胞、成纤维细胞、髓系细胞和内皮细胞）的多个簇，反映了它们的异质性转录图谱。
图1. 人体15个器官组织的scRNA-seq概述
发育状态下T细胞异质性及其在体内克隆性
scRNA-seq结果显示，在该捐赠者的大多数器官组织的免疫细胞中总共存在20,034个T细胞，根据基因图谱可分为7,006个CD4+ T细胞（11个簇）和11,286个CD8+ T细胞（21个簇），两类T细胞簇均呈现器官特异性分布且有差异表达的基因。轨迹分析显示，在具有终末发育状态的非淋巴器官中，有明确的从TN cell到TEFF 细胞再到CD4+和 CD8+TRM细胞的发育路径，且TRM细胞具有发育可塑性，而不是代表分化的终末阶段。
随后，研究者通过单细胞调控网络推断和聚类（SCENIC）分析评估驱动T细胞差异基因表达的转录因子（TFs）。结果显示存在多个TFs联合调控T细胞的发育，以维持CD4+和CD8+ T细胞的异质状态。最后，研究者通过TCR克隆分型和转录组分析研究不同组织中T细胞亚型之间的克隆性和动态关系，结果显示CD4+ T细胞在组织中多为具有独特TCR克隆型的单一细胞，但在肌肉、胆总管和骨髓中均有较高比例的相同TCR克隆型或克隆扩增的多细胞；而在所有组织中，CD8+T细胞均出现克隆扩增。此外，基于TCR追踪的观察结果表明，不同的T细胞通过克隆扩增和转化在人体内广泛存在。（图2）
图2. 人体器官中T细胞的异质性、发育和克隆性
B细胞和浆细胞的异质性
聚类分析显示来自11个器官样本的10,100个B细胞和浆细胞，其中包括9个B细胞簇（CD20）和6个浆细胞簇（SDC1）。差异基因表达（DEG）分析显示B细胞与浆细胞具有不同的基因图谱。SCIEIC分析显示TFs在B细胞和浆细胞中显示出相似的活动，但在两种细胞间具有不同的模式，且TFs可能调节B细胞向浆细胞的发展。最后，研究者通过单细胞BCR测序分析探索了器官组织中B细胞簇和浆细胞簇的克隆性。结果显示，与浆细胞和T细胞相比，B细胞的扩增和转化能力较低，但由于检测到的克隆B细胞数量有限，不能充分代表多样化B细胞谱系的丰富性。
接下来，研究者采用类似实验方法探究了髓系细胞的异质性，发现独特的TFs组合有助于塑造正常人体中骨髓细胞的不同状态。随后又研究了组织内和组织间上皮细胞的相似性和异质性，结果表明，在器官内和器官间都存在上皮细胞的异质性，且组织内细胞簇的分组比组织间更紧密，且TFs可能导致组织间上皮细胞的异质性，而组织中的上皮细胞可能具有相似的TF激活模式。之后又探究了基质细胞的相似性和异质性，对两类内皮细胞（BECs，LECs）进行检测分析。结果显示，大多数集群的BECs和LECs具有共同的内皮功能，集群中的细胞是以器官特有的方式分组的。
组织内和组织间复杂而广泛的细胞间通信网络
基于475个配体-受体，研究者观察到细胞类型和组织之间共20,630个显著的相互作用，MIF_CD74、HBEGF_CD44、MIF_TNFRSF14、CD55_ADGRE5和APP_CD74是不同细胞类型中最频繁的五个相互作用，髓系细胞是与其它类型细胞相互作用最活跃的细胞类型。不同密度的器官组织之间存在广泛的相互作用；并且器官之间存在潜在的调控沟通，髓系细胞、CD8+ T细胞和上皮细胞是细胞间相互作用的核心节点。
图3. 组织间的细胞间通讯网络
综上所述，该研究团队通过绘制成人人类细胞图谱（AHCA）揭示了人体主要器官中细胞的异质性，描绘了主要细胞类型的发展轨迹，并鉴定出可能在维持人体体内平衡及人类疾病发展中起到重要作用的新型细胞类型和关键分子事件。AHCA可从 http://research.gzsums.net:8888 获得。