Комбинирование гистологического и транскриптомного подходов для аннотации клеточных типов немодельных организмов на примере иглистых мышей Acomys cahirinus

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Хрящевая ткань у млекопитающих обладает низким потенциалом к восстановлению, как правило, место дефекта замещается соединительной тканью. Мышь Acomys cahirinus является одной из сравнительно новых моделей для изучения процессов регенерации тканей, в том числе эластического хряща ушной раковины. Для изучения молекулярно-генетических механизмов, ответственных за эти процессы, и получения базового представления о клеточном и тканевом составе интактной ушной раковины нами был выбран метод секвенирования РНК единичных клеток (scRNA-seq). Данный метод позволяет не просто количественно определить уровень экспрессии генов в образце в целом, но и смоделировать кластеризацию клеток в зависимости от профилей экспрессии, оценив тем самым гетерогенность образца с точки зрения присутствия в нем конкретных клеточных популяций. Подобная аннотация клеточных типов, особенно в случае немодельных организмов, нуждается в поддержке со стороны классических морфологических исследований, позволяющих более детально идентифицировать клеточные популяции, например разделять кластеры клеток, сгруппированные по статистическому принципу (на основании схожих профилей экспрессии группы генов), на более мелкие субпопуляции. Цель работы – проведение аннотации всех клеточных типов интактной ушной раковины Acomys cahirinus, используя комбинацию транскриптомного подхода и классических методов гистологии. В результате исследования, основываясь на известных маркерных генах, а также сопоставляя генетические и морфологические данные, были проаннотированы 24 клеточных кластера.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. С. Филатов

Казанский (Приволжский) федеральный университет

Email: olga-sphinx@yandex.ru
Россия, Казань, 420008

А. И. Билялов

Казанский (Приволжский) федеральный университет; Московский клинический научный центр им. А.С. Логинова

Email: olga-sphinx@yandex.ru
Россия, Казань, 420008; Москва, 111123

Г. Р. Газизова

Казанский (Приволжский) федеральный университет

Email: olga-sphinx@yandex.ru
Россия, Казань, 420008

А. А. Билялова

Казанский (Приволжский) федеральный университет

Email: olga-sphinx@yandex.ru
Россия, Казань, 420008

Е. И. Шагимарданова

Казанский (Приволжский) федеральный университет; Московский клинический научный центр им. А.С. Логинова

Email: olga-sphinx@yandex.ru
Россия, Казань, 420008; Москва, 111123

М. В. Воронцова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: olga-sphinx@yandex.ru
Россия, Москва, 119991

А. П. Киясов

Казанский (Приволжский) федеральный университет

Email: olga-sphinx@yandex.ru
Россия, Казань, 420008

О. А. Гусев

Казанский (Приволжский) федеральный университет; Медицинский факультет университета Джунтендо; ООО “ЛИФТ центр”

Email: olga-sphinx@yandex.ru
Россия, Казань, 420008; Токио, 113-8421 Япония; Москва, Сколково, 121205

О. С. Козлова

Казанский (Приволжский) федеральный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: olga-sphinx@yandex.ru
Россия, Казань, 420008

Список литературы

  1. Maden M., Varholick J.A. Model systems for regeneration: The spiny mouse, Acomys cahirinus// Development. 2020. V. 147. № 4. https://doi.org/10.1242/dev.167718
  2. Билялов А.И., Филимошина Д.Д., Филатов Н.С. и др. У мышей рода Acomys после травмы восстанавливается эластический хрящ ушной раковины // Гены и клетки. 2022. Т. 17. № 1. С. 42–47. (Bilyalov A.I., Filimoshina D.D., Filatov N.S. et al. In mice of the genus Acomys, the elastic cartilage of the auricle is restored after injury // Genes and cells. 2022. V. 17. № 1. P. 42–47.) https://doi.org/10.23868/202205003
  3. Kuksin M., Morel D., Aglave M. et al. Applications of single-cell and bulk RNA sequencing in onco-immunology // Eur. J. Cancer. 2021. V. 149. P. 193–210. https://doi.org/10.1016/j.ejca.2021.03.005
  4. Nguyen E.D., Fard V.N., Kim B.Y. et al. Genome report: Chromosome-scale genome assembly of the African spiny mouse (Acomys cahirinus) // bioRxiv 2023.04.03.535372. https://doi.org/10.1101/2023.04.03.535372
  5. Lun A.T.L., Riesenfeld S., Andrews T. et al. EmptyDrops: Distinguishing cells from empty droplets in droplet-based single-cell RNA sequencing data // Genome Biol. 2019. V. 20. № 1. P. 63. https://doi.org/10.1186/s13059-019-1662-y
  6. Wolock S.L., Lopez R., Klein A.M. Scrublet: Computational identification of cell doublets in single-cell transcriptomic data // Cell Syst. 2019. V. 8. № 4. P. 281–291.e9. https://doi.org/10.1016/j.cels.2018.11.005
  7. Hao Y., Hao S., Andersen-Nissen E. et al. Integrated analysis of multimodal single-cell data // Cell. 2021. V. 184. № 13. P. 3573–3587. e29. https://doi.org/doi: 10.1016/j.cell.2021.04.048
  8. Bairati A., Comazzi M., Gioria M. A comparative study of perichondrial tissue in mammalian cartilages // Tissue Cell. 1996. V. 28. № 4. P. 455–468. https://doi.org/10.1016/s0040-8166(96)80031-0
  9. Treuting P.M., Dintzis S.M. 22 – Special senses: Ear // Comparative Anatomy and Histology, Acad. Press, 2012. P. 419–432. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-381361-9.00022-6
  10. Lefebvre V., Angelozzi M., Haseeb A. SOX9 in cartilage development and disease // Curr. Opin. Cell Biol. 2019. V. 61. P. 39–47. https://doi.org/10.1016/j.ceb.2019.07.008
  11. Dateki S. ACAN mutations as a cause of familial short stature // Clin. Pediatr. Endocrinol. 2017. V. 26. № 3. P. 119–125. https://doi.org/10.1297/cpe.26.119
  12. Batista M.A., Nia H.T., Önnerfjord P. et al. Nanomechanical phenotype of chondroadherin-null murine articular cartilage // Matrix Biol. 2014. V. 38. P. 84–90. https://doi.org/10.1016/j.matbio.2014.05.008
  13. Taylor S.E., Lee J., Smeriglio P. et al. Identification of human juvenile chondrocyte-specific factors that stimulate stem cell growth // Tissue Eng. Part A. 2016. V. 22. № 7–8. P. 645–653. https://doi.org/10.1089/ten.TEA.2015.0366
  14. Boot-Handford R.P., Tuckwell D.S. Fibrillar collagen: The key to vertebrate evolution? A tale of molecular incest // Bioessays. 2003. V. 25. № 2. P. 142–151. https://doi.org/10.1002/bies.10230
  15. Reed C.C., Iozzo R.V. The role of decorin in collagen fibrillogenesis and skin homeostasis // Glycoconj. J. 2002. V. 19. № 4–5. P. 249–255. https://doi.org/10.1023/A:1025383913444
  16. Billi A.C., Ma F., Plazyo O. et al. Nonlesional lupus skin contributes to inflammatory education of myeloid cells and primes for cutaneous inflammation // Sci. Transl. Med. 2022. V. 27. № 14. P. 642. https://doi.org/10.1126/scitranslmed.abn2263
  17. Wang S., Drummond M.L., Guerrero-Juarez C.F. et al. Single cell transcriptomics of human epidermis identifies basal stem cell transition states // Nat. Commun. 2020. V. 11. № 1. P. 4239. https://doi.org/10.1038/s41467-020-18075-7
  18. Alderson N.L., Maldonado E.N., Kern M.J. et al. FA2H-dependent fatty acid 2-hydroxylation in postnatal mouse brain // J. Lipid Res. 2006. V. 47. № 12. P. 2772–2780. https://doi.org/10.1194/jlr.M600362-JLR200
  19. Xu Y., Du X., Turner N. et al. Enhanced acyl-CoA: Cholesterol acyltransferase activity increases cholesterol levels on the lipid droplet surface and impairs adipocyte function // J. Biol. Chem. 2019. V. 294. № 50. P. 19306–19321. https://doi.org/10.1074/jbc.RA119.011160
  20. Shih B.B., Nirmal A.J., Headon D.J. et al. Derivation of marker gene signatures from human skin and their use in the interpretation of the transcriptional changes associated with dermatological disorders // J. Pathol. 2017. V. 241. № 5. P. 600–613. https://doi.org/10.1002/path.4864
  21. Polkoff K.M., Gupta N.K., Green A.J. et al. LGR5 is a conserved marker of hair follicle stem cells in multiple species and is present early and throughout follicle morphogenesis // Sci. Rep. 2022. V. 12. № 1. P. 9104. https://doi.org/10.1038/s41598-022-13056-w
  22. Park S., DiMaio T.A., Scheef E.A. et al. PECAM-1 regulates proangiogenic properties of endothelial cells through modulation of cell-cell and cell-matrix interactions // Am. J. Physiol. Cell Physiol. 2010. V. 299. № 6. P. 1468–1484. https://doi.org/10.1152/ajpcell.00246.2010
  23. Rossi E., Bernabeu C., Smadja D.M. Endoglin as an adhesion molecule in mature and progenitor endothelial cells: A function beyond TGF-β // Front. Med. 2019. V. 6. https://doi.org/10.3389/fmed.2019.00010
  24. Inoue M., Ishida T., Yasuda T. et al. Endothelial cell-selective adhesion molecule modulates atherosclerosis through plaque angiogenesis and monocyte-endothelial interaction // Microvasc. Res. 2010. V. 80. № 2. P. 179–187. https://doi.org/10.1016/j.mvr.2010.04.005
  25. Ma S.C., Li Q., Peng J.Y et al. Claudin-5 regulates blood-brain barrier permeability by modifying brain microvascular endothelial cell proliferation, migration, and adhesion to prevent lung cancer metastasis // CNS Neurosci. Theor. 2017. V. 23. № 12. P. 947–960. https://doi.org/10.1111/cns.12764
  26. Fajardo L.F. The complexity of endothelial cells. A review // Am. J. Clin. Pathol. 1989. V. 92. № 2. P. 241–250. https://doi.org/10.1093/ajcp/92.2.241
  27. Su H., Na N., Zhang X., Zhao Y. The biological function and significance of CD74 in immune diseases // Inflamm. Res. 2017. V. 66. № 3. P. 209–216. https://doi.org/10.1007/s00011-016-0995-1
  28. Stephens W.Z., Kubinak J.L., Ghazaryan A. et al. Epithelial-myeloid exchange of MHC class II constrains immunity and microbiota composition // Cell Rep. 2021. V. 37. № 5. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109916
  29. Hou W., Kong L., Hou Z., Ji H. CD44 is a prognostic biomarker and correlated with immune infiltrates in gastric cancer // BMC Med. Genomics. 2022. V. 15. № 1. P. 225. https://doi.org/10.1186/s12920-022-01383-w
  30. Muruganandam M., Ariza-Hutchinson A., Patel R.A., Sibbitt W.L. Jr. Biomarkers in the pathogenesis, diagnosis, and treatment of systemic sclerosis // J. Inflamm. Res. 2023. V. 16. P. 4633–4660. https://doi.org/10.2147/JIR.S379815
  31. Kendirli A., de la Rosa C., Lämmle K.F. et al. A genome-wide in vivo CRISPR screen identifies essential regulators of T cell migration to the CNS in a multiple sclerosis model // Nat. Neurosci. 2023. V. 26. № 10. P. 1713–1725. https://doi.org/10.1038/s41593-023-01432-2
  32. Kozina A.A., Baryshnikova N.V., Ilinskaya A.Y. et al. Novel mutation in the MPZ gene causes early-onset but slow-progressive Charcot-Marie-Tooth disease in a Russian family: A case report // J. Int. Med. Res. 2022. V. 50. № 12. https://doi.org/doi: 10.1177/03000605221139718
  33. Smirnova E.V., Rakitina T.V., Ziganshin R.H. et al. Comprehensive atlas of the myelin basic protein interaction landscape // Biomolecules. 2021. V. 11. № 11. https://doi.org/10.3390/biom11111628
  34. Kim D., An H., Fan C., Park Y. Identifying oligodendrocyte enhancers governing Plp1 expression // Hum. Mol. Genet. 2021. V. 30. № 23. P. 2225–2239. https://doi.org/10.1093/hmg/ddab184
  35. Ruan J., Zhang L., Hu D. et al. Novel Myh11 dual reporter mouse model provides definitive labeling and identification of smooth muscle cells-brief report // Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 2021. V. 41. № 2. P. 815–821. https://doi.org/10.1161/ATVBAHA.120.315107
  36. Goding C.R., Arnheiter H. MITF-the first 25 years // Genes Dev. 2019. V. 33. № 15–16. P. 983–1007. https://doi.org/10.1101/gad.324657.119
  37. Кичигина Т.Н., Грушин В.Н., Беликова И.С., Мяделец О.Д. Меланоциты: строение, функции, методы выявления, роль в кожной патологии // Вестн. Витебского гос. мед. ун-та. 2007. Т. 6. № 4. С. 5–16. https://elib.vsmu.by/handle/123/8528
  38. Jeong J., Han W., Hong E. et al. Regulation of NLGN3 and the synaptic Rho-GEF signaling pathway by CDK5 // J. Neurosci. 2023. V. 43. № 44. P. 7264–7275. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2309-22.2023
  39. Sato S., Suzuki Y., Kikuchi M. et al. Sputum neurturin levels in adult asthmatic subjects // J. Asthma Allergy. 2023. V. 16. P. 889–901. https://doi.org/10.2147/JAA.S421742

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Ушная раковина Acomys. 1 – эпидермис, 2 – дерма, 3 – волосяной фолликул, 4 – сальные железы, 5 – белые адипоциты, 6 – поперечно-полосатые скелетные миоциты, 7 – эластический хрящ, 8 – кровеносный сосуд, 9 – фиброзный слой надхрящницы, 10 – хондрогенный слой надхрящницы. Окраска по Маллори. Ув. х200 (а), х500 (б).

Скачать (403KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Кластеризация и аннотация клеточных типов по данным scRNA-Seq. а – кластерограмма (кластеры 1–24) клеток ушной раковины Acomys cahirinus, построенная методом UMAP (Uniform Manifold Approximationand Projection); б – визуализация усредненной экспрессии ряда маркерных генов, характерных для различных клеточных типов.

Скачать (243KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Экспрессия маркерных генов и финальная аннотация клеточных типов. а – тепловая карта, демонстрирующая наиболее специфично экспрессируемые гены в каждом кластере клеток (1–15); б – кластерограмма клеток ушной раковины Acomys cahirinus с аннотацией клеточных типов, построенная методом UMAP.

Скачать (919KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024