完整生物体单细胞水平基因表达和细胞形态多模



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完整生物体单细胞水平基因表达和细胞形态多模

生命科学
Life science
作为世界领先的全科学领域学术出版社,细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏,以期增进学术互动,促进国际交流。
2021年第三十期(总第67期)专栏文章,由中国科学院北京基因组研究所(国家生物信息中心)副研究员 郝丽丽,就Cell中的论文发表述评。

完整生物体单细胞水平基因表达和细胞形态多模

细胞是生命的基本单位。在多细胞生物中,不同细胞具有差异的基因表达模式,从而产生称之为细胞类型的个体细胞特征。破译基因型如何被解码为多细胞表型对于了解个体发育、结构和功能至关重要。为实现这一目标,需整合完整生物体所有细胞的遗传和表型信息,建立基因表达谱和细胞形态之间的关联。目前,体电子显微镜(EM)技术在了解生物超微结构细节方面应用广泛,空间单细胞组学技术将基因表达谱研究推向了新的阶段。然而,空间转录组学研究不能充分保存样品以进行EM超微结构分析,单细胞测序虽然能够对任何生物体进行细胞类型分类,但代价是丢失了解剖信息,基因表达和细胞超微结构的整合仍然是一个巨大挑战,目前尚未实现在完整生物体中将两者整合到多模式细胞图谱中。
针对上述问题,近日来自于欧洲分子生物学实验室 (EMBL) 的Detlev Arendt教授等人,建立一种全新研究框架,以海洋环节动物沙蚕(Platynereis dumerilii)为模式生物,基于非物种特异的技术,生成完整动物体内所有细胞转录和形态信息的整合图谱。作者通过串行块面扫描电镜(SBEM)获得沙蚕分化幼虫完整身体的超微结构,并基于一种自主开发的半自动多尺度方法获得完整个体的所有分割细胞,之后将扩展的基因表达图谱映射至分割细胞中,从而获得细胞精度的转录和形态信息的整合。该文章于8月10日发表于Cell Press的旗舰期刊Cell上。
作者首先通过SBEM以10 nm 像素(x/y)和25nm截面厚度(z)收集完整沙蚕分化幼虫(受精后6天)的电镜图像集。自动图像采集过程耗时七周,生成11,416 个平面图像,具有>200,000 个切片,数据集总大小2.5 TB。基于该数据集能够对生物体整体解剖结构和精细超微结构细节进行详细分析(图1),从而实现不同器官和细胞类型亚细胞特征的可视化。

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▲图1 通过串行块面扫描电镜(SBEM)观察沙蚕完整身体超微结构
获得完整标本的超微结构后,作者基于优化的半自动分割算法分割体内每个细胞以及亚细胞结构,最终产生11,402 个带有细胞核的细胞(图2)。作者定义并测量所有分割细胞和细胞核(segmented cell and nuclei)的140个形态学描述符(包括分割对象的大小、形状、强度、纹理以及细胞核内染色质分布等特征),以定量描述和比较所有细胞的形态及空间位置。

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▲图2 分割细胞和细胞核的三维渲染图像
以分割细胞形态量化描述为基础,基于图聚类方法,作者对沙蚕分化幼虫完整个体的1万多个细胞进行聚类,并利用 UMAP进行可视化(图3)。结果显示神经组织、肌肉组织、表皮和中肠等组织在形态上皆具有可辨识度。而且,基于形态学对神经元进一步细分,作者发现一个大脑神经元簇,其染色质纹理和强度与所有其他簇都不同,暗示基因调控状态的差异,表明基因调控状态和染色质形态之间存在密切联系。

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▲图3 分割细胞的形态学聚类
沙蚕的发育和分化具有刻板模式,其分化幼虫(differentiated larvae)和年轻成虫(young worms)的细胞组成彼此相似。该特性使基于图像配准(image registration)和信号概率映射剖析(Profiling by Signal Probability mapping)方法生成沙蚕完整个体细胞水平的基因表达图谱具备可行性。为获得沙蚕分化幼虫所有细胞的综合表达信息,作者扩展其先前已建立的单细胞水平表达图谱,获得新的ProSPr基因表达图谱(ProSPr atlas)。ProSPr atlas包含 201 个基因(包括78个转录因子、56个神经效应基因和53个分化基因)和 4种 EdU 增殖染色的信息,可作为跨完整生物体表达谱的代表。由于个体间细胞位置的典型差异小于一个细胞直径(< 4.7μm),作者推断可以在接近细胞分辨率水平下进行SBEM数据集与 ProSPr 图谱的集成,并将基于基因表达的遗传聚类簇映射到三维电镜容积(EM volume)中,以解析差异表达和细胞形态之间的相互关联。结果发现属于同一遗传簇(genetic cluster)的细胞占据生物体中空间连贯的区域,具有清晰的遗传和组织边界对应关系(图 4)。

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▲图4 基于基因表达与细胞形态所定义组织之间的相关性
为更详细地分析沙蚕分化幼虫的基因表达如何与组织边界相关,作者后续专注分析头部细胞,发现沙蚕头部可被细分为基于特异转录因子组合表达所定义的区域,称为转录域(transcriptional domain)。转录域与神经节(ganglionic nuclei, GN)的对应关系提示不同转录域具有不同的功能和神经投射(projections)。基于基因表达、空间位置、神经元形态和投射信息,作者界定了沙蚕分化幼虫大脑的感觉和中央神经节,并发现17%的蘑菇体(mushroom bodies)细胞与双极感觉神经元相似,表明沙蚕分化幼虫大脑蘑菇体已具备感觉特性。
除上述发现,同样值得关注的是,本研究中ProSPr和SBEM两个数据集的集成产出蕴含丰富生物信息的宝贵资源。然而,该资源的体量(无损压缩图像数据总计高达 2.02 TB)对进一步的科学探索构成了挑战。为解决这一问题,作者设计了一个用户界面PlatyBrowser以方便信息的交互式探索(图5)。PlatyBrowser支持用户选择不同模式的图像源,以及计算SBEM空间中每个位置的基因表达谱(基于ProSPr图谱)。

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▲图5 PlatyBrowser-沙蚕多模态数据浏览器
综上所述,本研究提供首个结合电子显微镜图像和基因表达数据的单细胞水平多模态图谱,将基因表达信息分配给完整动物个体的每个分割细胞,并在此基础上分析基因表达与细胞形态的相关性。该工作迈出了转录组和亚细胞形态整合研究的第一步,证明无偏的基因表达聚类可定义由形态边界分隔的连贯组织。而且,作者以沙蚕分化幼虫头部为重点,确定了与脑神经节相对应的分子解剖区域。此外,作者还提供了基于开源插件的在线浏览工具,以方便领域同行浏览、分析和挖掘本研究产出的多模态数据(EM 数据、单细胞分割、基因表达、自定义注释、细胞类型定义等)。本研究所建立的技术流程可借鉴应用到其他非模式物种中,这将为在遗传和超微结构水平上对生物体内部和跨物种细胞类型进行比较打开一扇门,这个领域的推进可进一步深化我们对生物系统功能、发展和进化的理解。
论文摘要
动物体由具有独特表达模式的各种细胞类型组成,这些细胞类型具备独特的位置、形状、结构和功能。基于这些特性,不同的细胞类型聚集成特定的组织和器官。为系统地探索细胞类型特异性基因表达与细胞形态之间的关联,作者将基因表达图谱映射到沙蚕分化幼虫完整个体的电子显微镜容积图像中。整合分析显示,自动分割获得的细胞和细胞核可用于识别主要细胞类别,并可建立基因调控、染色质拓扑和细胞核大小之间的关联。基于基因表达图谱对分割细胞进行聚类可发现具有空间一致性的组织。在大脑中,基于遗传信息定义的神经元组与神经节具有一致的神经元投射。除了中间神经元,作者还发现了沙蚕分化幼虫蘑菇体中可作为感觉器官的感觉神经分泌细胞,其在分子解剖学上类似于脊椎动物的端脑。此外,作者提供了一个集成浏览器,用于探索本研究产出的所有可用的多模态数据集。
Animal bodies are composed of cell types with unique expression programs that implement their distinct locations, shapes, structures, and functions. Based on these properties, cell types assemble into specific tissues and organs. To systematically explore the link between cell-type-specific gene expression and morphology, we registered an expression atlas to a whole-body electron microscopy volume of the nereid Platynereis dumerilii. Automated segmentation of cells and nuclei identifies major cell classes and establishes a link between gene activation, chromatin topography, and nuclear size. Clustering of segmented cells according to gene expression reveals spatially coherent tissues. In the brain, genetically defined groups of neurons match ganglionic nuclei with coherent projections. Besides interneurons, we uncover sensory-neurosecretory cells in the nereid mushroom bodies, which thus qualify as sensory organs. They furthermore resemble the vertebrate telencephalon by molecular anatomy. We provide an integrated browser as a Fiji plugin for remote exploration of all available multimodal datasets.
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述评人简介

完整生物体单细胞水平基因表达和细胞形态多模

郝丽丽
中国科学院北京基因组研究所(国家生物信息中心)副研究员
haolili@big.ac.cn
郝丽丽,中国科学院北京基因组研究所(国家生物信息中心)副研究员。承担中科院先导A类项目和科技部资源调查项目等。主要从事转录组数据整合挖掘分析及RNA编辑功能与调控研究,以第一和/或通讯作者在Nucleic Acids Research, Genomics Proteomics & Bioinformatics等期刊发表系列研究论文。
Dr. Lili Hao is an associate professor in National Genomics Data Center, Beijing Institute of Genomics, Chinese Academy of Sciences, and China National Center for Bioinformation. Dr. Lili Hao is mainly interested in transcriptomic data integration, mining and analysis, and studying the function and regulation of RNA editing. As the (co-)first or (co-)corresponding author, Dr. Lili Hao has published a series of research papers in journals including Nucleic Acids Research and Genomics Proteomics & Bioinformatics.
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原文刊载于CellPress细胞出版社
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