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 分类: 时空组学

文章题目:Spatial multiomics map of trophoblast development in early pregnancy

期刊:Nature

发表时间:2023.4.6

影响因子:69.504

今天给大家分享一篇2023年4月6日来自英国剑桥大学等机构的研究人员,在Nature期刊上发表了Spatial multiomics map of trophoblast development in early pregnancy文章,作者利用单细胞和空间多组学技术,在以前研究妊娠早期阶段的研究工作基础上,以细节捕捉到了胎盘的发育过程 ,解析了滋养层细胞发育的全部轨迹,创建了胎盘如何发育并与子宫交流的的深入图景,这些新的发现可为孕早期人胎盘实验模型的设计提供信息。

研究背景

胎盘是婴儿与母体联系的重要器官,为妊娠期间的胎儿提供营养物质、保护胎儿不受感染。在胎盘的发育过程中,绒毛外滋养层细胞(EVTs),渗透到孕妇子宫的粘膜内膜并向螺旋动脉迁移,破坏平滑肌。随后,内皮细胞滋养层细胞(eEVTs)在细胞滋养层处形成栓塞,最后绒毛外滋养层细胞(EVTs)取代内皮细胞。。通过这种方式建立氧气和营养物的供应线,这个过程对于胎盘的形成和嵌入子宫,以及最终是否成功妊娠至关重要。

研究成果

1. 人类胎盘床的空间图谱

作者采集了3人着床部位(妊娠后(PCW)6-9周)的组织样本,通过(1)单细胞核转录组测序(snRNA-seq);(2)snRNA-seq和单核转座酶可及染色质测序(snATAC-seq)结合测序;以及(3)空间转录组测序多模态方法。作者分两步研究滋养层的异质性:首先,分析了P13(约9 PCW)的全厚度着床部位。其次,作者整合数据集(约5-13 PCW)验证滋养层细胞群和它们的标记物,通过考虑典型标记物及其空间位置对滋养层子集进行注释。在胎盘绒毛中,绒毛细胞滋养层(VCT)融合形成与子宫内膜间空间的母体血液接触的覆盖层合体滋养层(SCT)。在P13供体以及所有其他供体中,VCT子集高度表达TP63和CDH1。VCT和VCT增殖型(VCT-p)上调已知的干细胞和前体细胞标志物、Wnt信号分子、SEMA3F-NRP2信号复合物和VCT标记物。

图1 早期母胎界面中的滋养层细胞状态

2.EVT侵袭过程中活跃的转录因子

为了进一步研究EVT途径,作者利用单细胞和空间转录组学联合测序,结果发现EVTs-2位于锚定绒毛的远端,可以分化成iEVT,也可以分化成eEVT细胞。

图2 绒毛外滋养层细胞EVT 侵袭过程中活跃的转录因子

3.体外滋养层基准测试

接下来,作者探讨了在VCT到EVT分化过程中触发的细胞内在调控程序是否存在于源自两种自我更新的初级滋养层类器官(PTO)和滋养层干细胞(TSC)产生的EVTs中。通过对以下样本进行了scRNA-seq:(1)实验组:在EVTM培养基中分化的PTO(PTO-EVTM), 对照组:在滋养层培养基(TOM)中生长的PTO(PTO-TOM);(2)在EVTM培养基中分化的TSC(TSC-EVTM),对照组:在滋养层干细胞培养基中生长的TSCs(TSC-TSCM)。发现:

a.PTOs比TSCs更好地体现VCT的异质性。b.在PTOs中存在体内定义的四个VCT亚群,,它们表达相同的典型标志物。c.在PTO中,VCT-CCC在EVTM存在下富集,触发 FOXM1–NOTCH1 轴 NF-κB (NFKB2和BACH2)和AP-1调制器(JDP2和ATF3),相比之下,在TSC中找不到真正的VCT。D.在TSC和PTO中,VCT-CCC(CDH5,ITGB6和LCAT1)在EVTM培养基存在下富集,从而触发NOTCH–FOXM1轴,导致 IRF6 进一步下调和 EVT-1 中的 TP6323。

图3 源自原代滋养层的EVT的基准类器官和TSC。

4. 母体细胞和EVT分化

下一步作者通过scRNA-seq和snRNA-seq,以及单分子荧光原位杂交(smFISH)技术,验证了dNK通过多个配体-受体对与EVTs相互作用,且这些受体在EVT-2处表达上调。以及iEVTs通过与EFNB1结合的子宫肌层平滑肌细胞(uSMCs)特异性表达EPHB1和EPHB4从蜕膜迁移到子宫肌层;且EFNB1在iEVT和GCs中明显上调。

图4 EVT侵袭期间配体-受体相互作用。

5.eEVT与螺旋动脉的相互作用

作者在动脉中膜中定义了两种血管周细胞(PV):PV1和PV2。随后通过scRNA-seq和smFISH结合分析定义了PV1中的两种细胞状态:PV1-AOC3和PV1-STEAP4。当血管周细胞表达同源受体基因EPHB6时,iEVT通过表达EFNB1诱导其对动脉的趋向性,进而介导动脉转化。iEVT上调了特定的细胞信号分子,对应的同源受体基因也在PV1-AOC3中上调。而且还发现表达PTPRS的iEVT与表达NTRK2NTRK3的血管周围细胞之间,存在密切关系。

图5 子宫动脉转化中配体-受体相互作用

综上所述,作者通过snRNA-seq测序、snATAC-seq测序、空间转录组测序技术等多种方法,发现了滋养层细胞发育的全部轨迹;同时研究了母体巨噬细胞和EVTs之间的配体-受体相互作用以及巨噬细胞-EVT信号轴;以及明确了妊娠早期动脉转化的潜在分子和细胞介质。这些研究成果有助于开发胎盘发育模型、为妊娠疾病的诊断、预防和治疗提供新的思路。

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