7+！单细胞测序揭示人椎间盘退变中软骨细胞亚群与铁死亡机制~椎间盘单细胞细胞基因

本研究通过scRNA-Seq在髓核中发现了新的软骨细胞亚群，这为了解IVDD发展过程中的病理变化提供了新的见解。Ferroptosis参与椎间盘退变发病机制，或可作为干预IVDD的新靶点。

导语

髓核(NP)在椎间盘退变的发病机制中起着核心作用，然而，作为异质组织，NP中的细胞亚群及其在椎间盘退变(IVDD)中的相应生物学过程尚未见报道。

背景介绍

数据介绍

本研究从1例正常对照和5例IVDD中分离出髓核，进行单细胞RNA测序。

技术路线

本研究技术路线如图所示。

结果解析

01scRNA-seq揭示NP中的不同细胞类型

经过滤，本研究保留了30,300个细胞用于下游分析，每个细胞平均有1,671个基因和6,089个UMI用于进一步分析（图1A）。来自不同供体的NP组织通过MRI和形态学测试来表征（图1B，C）。使用Seurat包的无监督聚类在所有三个组中确定了五个不同的细胞簇（图1D，E）。簇1（约占所有细胞的99.33%）包含表达ACAN、COL2A1、SOX9、FMOD和COMP的软骨细胞。簇2（约占所有细胞的0.57%）包含表达LYZ、CD14、IL1B、TNF和MRC1的巨噬细胞。簇3（约占所有细胞的0.10%）包含表达CDH5、PECAM1和CLDN5的内皮细胞(EC)（图1F-H）。据报道，在IVDD的过程中，NP的无血管性质会转变为血管化。同样本研究的scRNA-seq仅在IVDD样本中揭示了EC，并且该比例随着疾病的严重程度而增加（图1E）。

图1

02scRNA-seq鉴定出七个软骨细胞亚群

软骨细胞作为主要类型，在NP的正常功能中起着重要作用。因此本研究更仔细地观察了Cluster1软骨细胞，以确定子集频率或类型是否在不同组之间发生了变化，结果发现了三个经验定义的群体和四个新群体（图2A）。其中，纤维软骨细胞祖细胞（FCPs）和C3相对罕见（图2B）。具体而言，鉴定了以下细胞：(1)FCPs，表达MYLK和COL3A123，(2)软骨祖细胞（CPCs，表达BIRC5，CDK1、CENPU、DHFR和STMN1)，(3)稳态软骨细胞（HomCs，表达JUN、BRD2、RGS2和CCNL1），(4)C1高表达MGP、FGF2和CD55，(5)C2高表达PRG4、COL2A1、MSMO1、VCAN和SCRG1)，(6)C3高表达CXCL1、MMP13、COL12A1、AEBP1、TNC和CD44，(7)C4高表达COL1A1、COL3A1、LGALS1和MMP14（图2C-E）。为了验证四个新发现的子集，本研究对患者样本进行了免疫组织化学染色。

图2

03GO和KEGG分析揭示了富含软骨细胞亚群的通路

图3

为了研究不同子集的分化和相应的基因表达，本研究选择了CPCs、FCPs、HomCs和C1eC4子集来构建包含两个末端对应的新轨迹（图4A）。CPC主要分布在轨迹的根部，FCP出现在中后期。FCP和C3主要分布在命运1中，而C1、C2、C4和HomC分布在两种命运中（图4B）。

图4

接下来本研究进行了细胞间通讯分析。结果发现C2与C4有很强的联系，有超过140次交互。C2、C4和HomC显示出与M2巨噬细胞的相似相互作用。此外，C2还通过近100次交互连接到C3（图4C）。这些数据表明C2可能在NP的微环境中发挥核心作用，NP负责与多个细胞亚群进行通信。具有显著相互作用的配体和受体部分显示在图4D和E)中。数据显示，与C2、C3和C4子集相比，C1子集与巨噬细胞（M1和M2）的细胞通讯更多。同时，C4子集与EC的交互比其他子集更多。这些结果表明不同的细胞亚群可能在炎症和血管生成中发挥微妙的作用，针对关键细胞亚群的靶向干预可能是未来IVDD精准医学治疗的希望。

05铁死亡参与IVDD发病机制

图5

小编总结

本研究具有一些局限性，强调需要进一步优化。本研究的scRNA-Seq数据集建立在小的健康样本上，由于患者的特殊性，这可能会影响结果的解释，在后续研究中需要更多的样本。其次，细胞相互作用的数据已经初步呈现，但其中包含的更多信息还需要深入研究，相应的结果也需要进一步的生物学实验来验证。第三，虽然本研究已经证实了IVDD大鼠模型铁死亡的表型，但潜在的信号通路和靶向铁死亡在干预IVDD中的作用需要进一步阐明。

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