Spatially resolved multiomics of human cardiac niches

science-easyview

1년 ago

공간적인 관점으로 해석한 인간 심장 niche의 멀티오믹스

Abstract

세포의 기능은 그 본질적인 특성과 그것의 niche, 즉 세포가 살고 있는 조직 미세 환경에 의해 정의됩니다.

이 논문에서는 단일 세포와 공간 전사체 데이터를 결합하여 인간 심장의 8개 영역 내의 세포 niche를 발견합니다. 이들은 세포를 미세해부학적 위치에 매핑하고 지식 기반 및 비지도 구조 주석을 통합합니다. 또한 인간 심장 전도 시스템의 세포를 프로파일링합니다. 그 결과로 ion channel, G-protein-coupled receptors(GPCR) 및 regulatory network들의 독특한 레퍼토리를 드러냈고, 페이스메이커 표현형에 FOXP를 연관시킬 수 있었습니다. 이들은 동방결절(sinoatrial node)이 구획화되어 있으며, 심장 박동기 세포, 섬유아세포 및 신경교세포가 글루탐산 신호 전달을 지원한다는 것을 보여줍니다. 나아가 커스텀 CellPhoneDB.org 모듈을 사용하여 glia와 시냅스 간 페이스메이커 세포 상호 작용을 식별합니다. 이들은 GLP-1 유사체를 포함한, 약물의 시간대 효과에 대한 기계적 통찰력을 제공하기 위해 단일 세포 프로파일과 약물-대상 상호 작용을 활용하는 약물화 가능 표적 예측 도구인 drug2cell을 소개합니다. 심외막에서 감염 방어에 기여할 수 있는 면역 niche를 형성하는 IgG+와 IgA+ 혈장 세포의 풍부함을 보여줍니다.

전반적으로, 해당 논문에서는 심장 전기 해부학과 면역학의 새로운 해석을 제공하며, 이들의 계산 접근법의 방법론은 다른 조직과 장기에도 적용될 수 있을 것으로 보입니다.

Figure

[Figure 1] 인간 성인 심장의 다방면 프로파일링 결과
(A) (왼쪽) 연구 설계 및 분석의 개요입니다. 성인 심장의 8개 영역(RA, LA, RV, LV, SP, AX, SAN 및 AVN)에서 멀티옴 및 Visium 공간 전사체 데이터가 생성되었으며 공개된 sc/snRNA-seq 아틀라스 데이터 세트와 통합되었습니다. (중간) 점도표를 통해 연령 그룹(x 축) 및 지역(y 축)별로 기증자 번호를 보입니다. (오른쪽) 데이터는 세포 틈새 식별, 공간적으로 해결된 세포-세포 상호작용 분석 및 약물 표적 발견 분석(drug2cell)에 사용되었습니다.
(B) SAN, AVN, AVB의 H&E(haematoxylin and eosin) micrograph 촬영 사진입니다. 정기적인 심장 박동에 관여하는 cardiac conduction system (CCS)의 존재를 확인합니다.
(C) – (E) Gene expression data의 UMAP 결과입니다.
(C) SAN(sinoatrial node) aCMs(atrial neighbouring cardiomyocytes)
(D) AVN(atrioventricular node) aCMs
(E) AVB(atrioventricular bundle) aCMs
(F) cell2location에 의해 추정된 SAN, AVN 및 SP Visium 섹션의 공간 좌표에 있는 CCS 상태에 있는 세포의 양입니다.

[Figure 2] 성인 어른 심장의 세포 niche 파악
(A) 공간 데이터 분석의 과정을 그렸습니다. Visium spots는 조직 별로 주석화하였으며, sn/scRNA-seq 분석으로 각 세포의 상태를 Visium spots에 매핑할 때 cell2location을 사용했습니다. NMF를 이용하여 주석화된 구조를 factor로 변환했으며, neural-GPCR CellPhoneDB module을 통해 cell-cell interaction의 공간적 분석을 진행했습니다.
(B) – (G) 세포 미세환경 분석입니다.
(B) – (D) SAN
(E) – (G) RV
다음은 각 분석에 대한 묘사입니다.
(B), (E) H&E 염색을 기반으로 공간 기반의 세포 구조를 주석화했습니다.
(C), (D) cell2location NMF analysis를 통해 파악된 factor들의 factor loadings(각 cell group의 abundance 예상치)를 각 세포의 위치에 따라 나타냈습니다.
(D), (G) Dot plot을 이용해 표준화 변환 기준 0.4 이상의 abundance를 가지는 cell state를 표현했습니다.

[Figure 3] 인간의 P cell profile 및 노드로 표현된 niche interaction
(A) (위) P cell의 이온 채널 subunit을 encoding하는 유전자의 발현을 나타냅니다. (왼쪽 아래) 일반적인 페이스메이커의 활동전위(action potential)입니다.
(B) CCS cell 내 GPCR 및 G protein 신호 전달 과정의 모식도입니다.
(C) P cell identity를 관장하는 TF network의 예측 결과입니다.
(D) Nodal cell의 시냅스 간 cell-cell interaction을 보이는 heatmap입니다.
(E) SAN Visium section(FFPE) 및 RAGP H&E 사진의 위치에 따른 annotation입니다.
(F) RAGP(Visium-FFPE) 내 neural gene의 발현을 보입니다.
(G) Nodal niche 안의 상호 작용을 그린 모식도입니다.
(H) SAN 내의 immunofluorescence 염색 결과입니다. 주로 anti-HCN1(분홍) anti-PLP1(노랑) 항체, 그리고 핵(DAPI, 파랑)의 염색을 보입니다.

[Figure 4] single-cell 단계에서의 약물 표적 탐색 과정
(A) drug2cell 분석의 모식도입니다. 약물 및 표적 물질은 ChEMBL database에서 가져와 쿼리 및 필터링 과정을 거치며, single-cell 유전자 발현 데이터를 통해 특정 세포 상태에 대한 drug interaction을 예측하고 점수를 부여합니다.
(B) P cell 내에서 다른 세포 상태들과 비교하여 유의미하게 높은 drug score를 가지는 물질들에 대한 heatmap입니다.
(C) 만성 자극성 약물에 대한 세포 표적 후보의 모식도입니다.

[Figure 5] Epicardium에서의 면역 niche
(A) RV region에서의 plasma B cell(cell2location을 통해 예측됨)의 abundance, IGHG1 및 IGHA1 발현, 그리고 위치 기반 구조의 annotation을 나타냅니다.
(B) Epicardium – subepicardium 양측에서 모두 발현하는 IGH 유전자 발현 간의 연관성입니다.
(C), (D) 추론된 cell-cell interaction을 정리한 heatmap입니다.
(C) chemokines-mediated
(D) cytokines-mediated
(E) TNFRSF13B, CCL21 및 CD68용 LV epicardial 영역의 다중 smFISH(RNAscope) 결과입니다.
(F) Epicardial 영역의 immunofluorescence입니다. Anti-IgA antibody 및 Hoechst(핵 염색)으로 염색되었습니다.
(G) Epicardium 및 subepicardium에서의 immune niche를 보이는 모식도입니다. Plasma B cells, MPs, FBs 및 ECs의 활성을 강조합니다.

Disscussion

이 연구는 인간 심장의 cellular profiles과 niche의 구성을 새롭게 조명합니다. CCS에서 P cell은 TF FOXP2 및 이온 채널 유전자를 발현하는데, 이전에 밝힌 바로는 심장 박동과 관련이 없던 것으로 알려졌습니다. 물리 화학적 자극에 의해 전도도가 조절되고 심근세포 흥분성을 조절할 수 있는 비선택적 양이온 채널의 TRP family의 단백질들이 이에 해당됩니다. Gi/o-coupled GPCR의 βγ-subunits에 의해 억제된 TRPM3는 SAN 관련 및 AVN 관련 GWAS 형질과 관련되어 있으며 GIRK 채널과 유사한 방식으로 P cell 흥분성을 조절할 수 있습니다. 논문에서는 추가적으로 인간의 CCS 세포에서 calcium-activated chloride channel을 인코딩하는 ANO6를 보고합니다. 특히, 동일한 anoctamin family의 아종(ANO1)는 내장의 Cajal cell에서 연동성 느린 파동 생성을 담당하는 주요 페이스메이커 channel이며, 쥐의 SAN에서 검출되었습니다. 이들은 단일 세포 수준에서 약물 표적 발현을 식별하는 도구인 drug2cell을 개발했습니다. drug2cell은 P cell을 (GLP-1 유사체 및 perampanel을 포함한) 만성피로성 부작용을 가진 약물에 대한 이전에 알려지지 않은 세포 표적으로 강조했으며, 그 메커니즘은 여전히 명확하지 않았습니다. 미래에는 whole-body cell atlas datasets에 drug2cell을 적용하면, 모든 장기에 걸쳐 세포 유형의 부작용을 예측하여 in silico screening을 개선할 수 있을 것으로 보입니다.

Spatial analysis를 통해 glial population NC2_glial_NGF+는 두 노드와 AV 계열 모두에서 CCS cell의 niche 파트너임을 보였습니다. 이 세포들은 glutamine pool을 유지하는 데 필요한 주요 요소들을 표현하며, 따라서 천체 세포와 같은 역할에서 cardiac glutamatergic signalling을 촉진할 수 있습니다. 마찬가지로, 이들의 분석은 시냅스와 유사한 상호 연결을 제안하는 여러 trans-synaptic adhesion interactions을 강조했습니다. 최근 제안된 cardiomyocyte–neuron signalling circuit와 유사한 방향으로, NC2_glial_NGF+ 세포는 인근의 RAGP에서 발현되는 수용체(NGFR 및 NTRK1)를 타깃으로 하여, neurotrophic factor NGF를 분비하며 CCS 신경절을 촉진할 수 있습니다. 이러한 연구 결과는 NC2_glial_NGF+가 CCS 세포를 지원하는 데 중요한 다중 역할을 보입니다.

Epicardium 및 subepicardium에 IgA+ 및 IgG+ 혈장 B 세포가 존재하는 것은 인근의 폐를 감염시키는 것과 같은 병원체의 직접적인 침입에 대한 장벽 역할과 일치합니다. Mesothelial cell은 chemokine(CCL2)과 B 세포에 대한 pro-survival factor(BAFF)를 발현함으로써 epicardium immune niche를 형성하고 antimicrobial molecules(SLPI 및 RARRES2)를 발현함으로써 면역 방어 기능을 형성하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있습니다. 이 역할은 복막강에 있는 중피 세포의 면역 조절 기능과 유사합니다. Myocardium 내에서, 연구진들은 스트레스를 받은 CM 집단(vCM3_stressed)에서 염증성 사이토카인 수용체(IL-1 및 IL-6 수용체)를 인코딩하는 유전자가 풍부한 심근 스트레스 niche를 발견했습니다. 이 결과는 심근 스트레스 틈새에서 염증과 리모델링에 대한 심장의 민감성을 중재하는 메커니즘을 시사합니다.

Multimodal data와 지식 기반 및 unsupervised 미세 구조 주석을 통합한 이 framework는 niche 발견을 주도할 수 있으며, 다른 조직에 적용하여 다양한 방면의 건강 및 질병에 확장할 있습니다.

REF

Kanemaru, K., Cranley, J., Muraro, D. et al. Spatially resolved multiomics of human cardiac niches. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06311-1