骑士资讯:Nature新研究表明成纤维细胞可分为三种亚群,有望引发疾病治疗变革


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成纤维细胞是一种很容易通过其独特的纺锤形来识别的细胞,这一特征将它们与其他组织结构细胞(如上皮细胞)区分开来。它们是一组不同的细胞,在健康和疾病中起着多方面的作用:它们通过产生包围细胞的细胞外基质材料来帮助确定组织结构,它们协助其他类型的细胞的运作和定位,而且在受伤后,它们促进愈合或推动炎症和瘢痕形成。单细胞RNA测序技术的创新提供了证据,表明成纤维细胞由功能不同的细胞群体组成,这些群体根据其来源的组织和与之相关的疾病而不同。此外,即使在一个组织中,也不是所有的成纤维细胞都是一样的。离散的、不重叠的成纤维细胞亚型驱动着这些细胞的许多生物学功能的不同方面。

在一项新的研究中,美国研究人员构建出不同组织中的成纤维细胞基因表达的比较图谱,揭示了同一器官内和不同器官的成纤维细胞谱系的一般组织原则(organizing principle)。这项研究表明,成纤维细胞存在通用的(universal)、特化的(specialized)和疾病特异性的(disease-specific)亚群,并指出这三种亚型有一个共同的祖先。相关研究结果于2021年5月12日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Cross-tissue organization of the fibroblast lineage”。

长期以来,从同一组织或不同组织中分离出来的成纤维细胞之间的家族关系一直是个谜。原因之一是,在出现对单细胞中的RNA进行分析的方法之前,很难将成纤维细胞分为不同的亚型。所有成纤维细胞都执行与其谱系相一致的类似功能,如制造和修改细胞外基质的分子。然而,它们也可以执行专门的程序,以适应它们所居住的特定组织的需求。例如,特化的成纤维细胞支持骨髓中造血(血液和免疫)细胞的发育。成纤维细胞如何实现通用和特化的功能一直不清楚。造血细胞,如免疫系统的巨噬细胞,通过采用共享的、全谱系的、核心的基因表达模式,然后辅以微环境线索驱动的组织特异性基因表达,解决了具有通用功能和特化功能的问题。巨噬细胞由一种称为单核细胞的细胞类型补充。单核细胞在血液中循环,并作为组织巨噬细胞产生的通用库。到目前为止,尚未解答的问题是,成纤维细胞是否遵循这种巨噬细胞的方法,或者在一个特定的组织中,成纤维细胞是否存在另一种情况,即一个“通用的”、泛组织的成纤维细胞前体细胞亚群与这些细胞的一个更成熟的、组织特异性的亚群一起存在。

为了解决这个问题,这些作者首先采用生物信息学方法,利用16个组织的数据集的单细胞RNA研究,产生了小鼠不同组织中的成纤维细胞基因表达图谱。他们由此确定了10个不同的基因表达集群,其中两个命名为Pi16和Col15a1的集群在几乎所有被调查的器官的某些细胞中发现,这表明这两个集群可能代表了通用的、泛组织成纤维细胞的转录图谱(图1)。一组更有限的组织中的成纤维细胞对应于其余八个集群,这就提出了一种可能性,即这些是特化成纤维细胞的标志,或特定的成纤维细胞状态,是某些组织特有的。

Pi16和Col15a1这两个集群的普遍性(包括与干细胞特性相关的Cd34和Ly6a等基因的高水平表达)结合一种可以通过所谓的轨迹分析来推断发育相关性的生物信息技术,让这些作者提出了以下模型:通用的和特化的成纤维细胞亚群在正常的、“稳态”的小鼠组织中并存,而且这些成纤维细胞可能在发育上有联系。表达Col15a1和Pi16集群的成纤维细胞的位置表明,位于组织内部区域的Col15a1细胞可能调节细胞外基质,而位于血管附近的Pi16细胞可能作为组织成纤维细胞起源的储存细胞。

不同器官中成纤维细胞的组织原则,图片来自Nature, 2021, doi:10.1038/d41586-021-01204-7。

为了验证这一假设,这些作者着手寻找可用于识别Pi16和Col15a1成纤维细胞的细胞表面标志物。这项研究揭示了一组基因,其表达与成纤维细胞的特化成相反关系:在Pi16成纤维细胞中高度富集,在Col15a1成纤维细胞中则较低程度富集。在这些基因中,他们着重研究了Dpt,它是Pi16和Col15a1通用成纤维细胞的一种潜在的标志物。这些作者培育出表达Dpt编码蛋白的荧光版本的小鼠。遗传分析和细胞追踪实验比较了通用的成纤维细胞和组织特异性成纤维细胞的后代,提供了令人信服的实验证据来支持这些生物信息学数据。他们的研究结果指出,在生理条件下,在一系列小鼠组织中,存在两种通用的成纤维细胞群体,所有特化的成纤维细胞都起源于这两种群体。

这些作者接下来研究了他们所发现的这两种通用的成纤维细胞群体是否在组织受伤或在疾病中受损时发生变化。他们发现,在受干扰的组织中,Pi16和Col15a1成纤维细胞似乎普遍存在,并表达高水平的Dpt,这与Pi16 Dpt细胞类型作为储存细胞的想法一致。令人兴奋的是,他们鉴定出三个基因表达集群(分别以基因Cxcl5、Adamdec1和Lrrc15作为特征),它们似乎代表了扰动特异性的、在稳态下没有观察到的成纤维细胞的激活状态。

这些成纤维细胞集群中的每一个都与某些器官特异性的损伤有关。例如,Cxcl5集群是肌肉损伤的特征。重要的是,当小鼠的Dpt储存细胞在肿瘤移植到动物体内之前被遗传标记时,它们发展成Lrrc15癌症相关成纤维细胞,这支持了通用的成纤维细胞在损伤和炎症后产生激活的成纤维细胞的观点。

最后,这些作者研究了人类组织是否包含通用的激活的成纤维细胞群体,与小鼠中发现的类似。他们调查了一系列组织(如胰腺和肺部)和疾病(癌症、感染和炎症)。他们的研究结果虽然受限于公开的人类成纤维细胞的相关数据集的数量,但是也表明与小鼠中一样,存在一个等效的Pi16通用人类成纤维细胞亚群,以及在疾病中发现的五个激活亚群或状态。有趣的是,尽管这项针对人类的研究证实了这些作者在小鼠身上的结果,如与Lrrc15成纤维细胞有关的发现,但是他们发现了一些在小鼠身上没有观察到的激活的成纤维细胞亚群,如那些以表达COL3A1(在COVID-19中观察到)或CCL19(与肠道疾病结肠炎有关)为特征的亚群。值得注意的是,另一项针对四种发炎的人体组织中的常见成纤维细胞亚群的研究发现,成纤维细胞中的CCL19和COL3A1基因表达集群与疾病有关。

这些作者的这项具有里程碑意义的研究具有深远的意义。它确定了健康和疾病中成纤维细胞谱系的关键组织原则。虽然巨噬细胞与成纤维细胞一样,是在组织中寻找危险信号的哨兵细胞,但是与巨噬细胞不同的是,成纤维细胞谱系可分为三种主要亚型:通用的亚群和特化的(稳态的)亚群,以及激活的(扰动状态的)亚群,所有这些亚型可共同存在于同一组织中。小鼠中的某些成纤维细胞和人类中的某些成纤维细胞之间的一致性特别有意义,因为它表明小鼠中的机理研究可能与人类疾病有直接关系。此外,这项研究提供了一个资源,将有助于澄清术语,提高对不同组织的特定成纤维细胞亚型的识别精度。为了使目前在临床研究中作为细胞疗法修复组织的成纤维细胞亚群标准化,迫切需要这样的研究进展。

正如这些作者所承认的那样,还需开展更多的研究。这些更多的研究包括确定成纤维细胞亚型的解剖位置,寻找其他亚型的存在,特别是在人体组织中,并试图确定可能促进不同类型成纤维细胞发育和分化的细胞(可能是结构细胞或免疫细胞)。目前还不清楚为什么在小鼠中存在两种通用的成纤维细胞亚型,而只有一种通用的造血祖细胞。但是他们推测,拥有两种通用的成纤维细胞亚型可能是组织中成纤维细胞谱系的必要分工。

这些发现最令人兴奋的意义也许在于,观察到特定组织中存在非重叠的疾病相关的成纤维细胞亚群,而且这些细胞与参与健康组织修复和组织特化的其他亚型不同,这可能会带来临床益处。如果能够靶向这些致病的成纤维细胞亚群,而不影响与健康相关的成纤维细胞亚群,那么就有可能以更有针对性和更少免疫抑制的方式治疗某些炎症和恶性疾病。能够靶向有害的成纤维细胞而不影响有益的成纤维细胞和造血细胞,将彻底改变许多慢性疾病的治疗。

【来源:生物谷 作者:towersimper】

【参考文献】

[1] Matthew B. Buechler et al. Cross-tissue organization of the fibroblast lineage. Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03549-5.

[2] Christopher D. Buckley. Fibroblast cells reveal their ancestry. Nature, 2021, doi:10.1038/d41586-021-01204-7.

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