通过空间组学技术和单细胞测序绘制人类卵巢的细胞图谱

文章题目：Cellular atlas of the human ovary using morphologically guided spatial transcriptomics and single-cell sequencing
中文题目：通过空间组学技术和单细胞测序绘制人类卵巢的细胞图谱
发表时间：2024.04.05
期刊名称：Science Advances
影响因子：13.6
实验平台：DSP空间转录组学、单细胞RNA测序
DOI：10.1126/sciadv.adm7506

01 研究背景

该研究深入探讨了人类卵巢的复杂结构和功能，并通过使用先进的遗传分析技术揭示了卵巢的重要性，特别是在健康的生殖和内分泌中卵泡的作用。尽管卵巢在生育和内分泌健康方面具有重要性，但关于卵巢细胞的功能属性知之甚少。由于健康的绝经前妇女的组织样本稀缺，以及技术限制，研究卵巢极具挑战。研究人员采用了空间组学技术和单细胞RNA测序技术，创建了一个详细的人类卵巢细胞图谱。该研究使我们能够探索卵巢内各种细胞群体之间在空间上定义的相互作用，揭示了卵泡发育、激素产生和卵巢老化背后的功能单元和分子机制。该研究结合空间和单细胞图谱的方法为未来研究卵巢中稀有细胞和病理状态研究提供了参考，为理解卵巢的健康和疾病状态提供了新的视角。

02 技术路线

03 研究结果

1. 人类卵巢的空间组学检测
人卵巢的空间转录组学分析揭示了卵巢不同功能区域的基因表达模式(图1)。研究对两名健康供体卵巢的257个区域进行了分析，手动选择了代表皮质、髓质、卵泡等已知功能单元区域(ROI),共覆盖19种预定义的区域类型。主成分分析显示,ROI的聚类与预定义的功能类型高度一致,如皮质样本聚为一类、髓质样本聚为一类、卵泡膜细胞样本和卵泡颗粒细胞样本分别聚类在一起，且两个供体之间具有很好的重复性。总之,这些结果展示了卵巢组织的空间异质性。不同区域的基因表达特征与其功能密切相关。

Fig1. 人类卵巢的空间转录组分析流程

2. 原始和初级卵子的基因表达轮廓
利用DAZL抗体阳性的拆分方法，研究获得了11个富集原始卵泡和初级卵泡中卵母细胞的样本，并鉴定出76个卵母细胞特异性高表达的基因(图2)。其中许多基因为已知的卵母细胞的标志基因，如TUBB8、ZP3、LHX8和OOSP2，而一些基因如PADI6、UCHL1、ZFANDA2和REC114，此前虽与卵母细胞发育相关，但未被报道为标志基因。例如，PADI6编码肽基精氨酸脱亚胺酶家族成员，在小鼠卵母细胞中定位于细胞质并对早期胚胎发育至关重要，而UCHL1编码泛素C末端水解酶，其活性影响小鼠受精和胚胎发生。这些新的卵母细胞特异性基因为深入研究人卵母细胞发育提供了重要的分子标签。

Fig2. 人类卵母细胞的转录特征

3. 卵泡膜细胞和颗粒层细胞的基因特征
通过分析富集卵泡膜细胞和卵泡颗粒细胞的ROI,研究鉴定出45个卵泡膜细胞特异性基因和94个卵泡颗粒细胞特异性基因(图3C)。两个供体卵巢的不同卵泡样本都展示出相似的细胞类型特征(图3A,B)，证实了空间转录组方法的稳健性。此外，在一个前卵泡中,通过分析卵母细胞周围同心环状的卵丘颗粒细胞层,发现其基因表达存在由内向外的梯度变化(图3D,E)，如Wnt和PKA信号通路相关基因呈现反向表达趋势。这提示卵母细胞可能通过旁分泌作用影响其周围卵丘细胞的特性。

Fig3. 颗粒细胞和卵泡膜细胞的重要特征

4. 卵巢皮质的转录梯度和皮质与髓质间的功能异质性
研究系统分析了卵巢皮质和髓质区域的空间转录异质性。在供体1外皮质的11个连续薄层(每层30μm，跨度共330μm)中,发现了与激素信号(如NR4A1、STAR)和细胞外基质重塑(如VIM、COL家族基因)相关基因的表达梯度变化，且从表层到深部逐渐升高(图4A,B)。在供体2中，皮质区和髓质区的分析揭示了卵巢表面到内部的转录变异(图4C)，不同皮质区域本身也存在异质性,而髓质区域的基因表达相对均一。此外,通过比较富含原始和初级卵泡的皮质区域与无卵泡的外皮质，鉴定出了参与组织重塑和类固醇合成的 (如SPINT2、ARHGEF15)的差异表达基因(图4E)，暗示这些基因可能在维持卵泡发育的皮质微环境中发挥作用。

Fig4. 皮质和髓质区域的转录异质性

5. 来自生育年龄妇女的三个卵巢的单细胞RNA测序
单细胞RNA测序技术进一步揭示了卵巢组织的细胞类型多样性。通过对另外3个生育年龄妇女供体卵巢的21,198个细胞进行测序，鉴定出卵巢中存在4种主要细胞类型,包括基质细胞、免疫细胞、内皮细胞和周细胞(图5A)，以及免疫细胞中的4个亚型：T细胞、NK细胞、巨噬细胞和肥大细胞(图5B)。这些细胞类型和亚型都有各自特征性的标志基因(图5C,D)。与已发表的单细胞数据比较发现,不同研究所鉴定的主要细胞类型具有很好的一致性(图S6)，而空间转录组数据则进一步细化了卵泡细胞类型的特征。

Fig5. 通过scRNA-seq分析鉴定人类卵巢中的细胞类型

04 主要结论

这项开创性研究首次在人卵巢组织和细胞水平进行了全面的转录组学分析,绘制了空前精细的分子图谱。研究者利用空间转录组学技术对卵巢的不同解剖区域进行了系统采样，证实了卵巢组织的显著空间异质性,即皮质、髓质、不同发育阶段卵泡等区域具有独特的基因表达特征，反映了其结构和功能的精细分工与调控。此外,研究重点分析了卵母细胞、卵泡膜细胞和卵泡颗粒细胞,鉴定出它们各自特异的基因，并在卵泡内部细胞群之间发现了独特的空间表达梯度，提示卵泡微环境的精细调节。同时,单细胞测序数据补充了间质细胞、免疫细胞等成分的多样性信息。该研究还特别关注了原始卵泡密集分布的皮质区域，发现了与原始卵泡激活相关基因的空间表达梯度，表明皮质微环境可能通过这些基因的作用形成有利于卵泡发育启动的内环境。综上,该研究深化了对卵巢结构功能的整体性认知，所获得的海量数据资源和分子标志物将为生殖医学研究和临床应用提供重要的理论基础和新思路。