Análisis espacial y temporal del desarrollo intestinal humano.
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Análisis espaciotemporal del desarrollo intestinal humano a resolución unicelular
Publicado en “Cell” (Cell) Revista (IF: 41.5.0): Células (IF: 41.582)
Publicado: febrero de 2021
Tecnología de aplicación: Secuenciación de células individuales 10x Genomics, Transcriptoma espacial 10x Genomics secuenciación, etc.
El intestino es el órgano de barrera más grande del cuerpo humano y coexiste con la flora intestinal para coordinar las necesidades nutricionales y la inmunidad. Múltiples tipos de células interconectadas constituyen el intestino maduro y su morfología única, pero la base molecular de su desarrollo aún no está clara. Este estudio recolectó 77 muestras intestinales de 17 embriones en diferentes momentos de desarrollo y ubicaciones de tejido, y utilizó la secuenciación del transcriptoma unicelular y la transcriptómica espacial de 10x Genomics para mapear la distribución espacial de los datos del transcriptoma unicelular, demostrando la morfogénesis en diferentes momentos, ubicaciones. y compartimentos intercelulares. Además, se compilan recursos integrales en línea que incluyen diversidad celular, señalización celular y redes reguladoras de la transcripción para resaltar los orígenes de las células progenitoras y las decisiones posicionales del destino.
1. Clasifica 101 tipos de células intestinales según el tiempo y el espacio de desarrollo.
Se realizó un análisis de conglomerados en 9 regiones intestinales basándose en la anotación transcripcional, y en células epiteliales, células adultas y fibrocitos endoteliales. Se anotaron células (CE), pericitos, células neuronales (ENS), miocitos intestinales, células mesoteliales, miofibroblastos y células inmunes y se encontró que eran significativamente diferentes en ubicación y curso de tiempo de desarrollo. La anotación celular detallada basada en genes marcadores clave identificó 101 tipos de células, mapeó interacciones entre los 101 tipos de células e identificó posibles interacciones receptor-ligandos entre pares de poblaciones celulares (RL).
2. Localización espacial de células individuales
Se realizó un análisis del transcriptoma espacial (ST) en el tejido y se determinó el posible transcriptoma unicelular de cada punto utilizando el método unicelular. atlas como composición de referencia, que permite la localización espacial de todas las subpoblaciones unicelulares. Los resultados identificaron 2.893 genes relacionados con la profundidad (FDR 5%) que reflejaban vías activas: procesos musculares/neurales (contracción/formación de axones) hasta funciones de la cavidad de absorción (pequeños tejidos vasculares y procesos del sistema digestivo). Puntos de enriquecimiento profundo en diferentes niveles. consistente con el enriquecimiento secuencial de las características del tipo celular.
3. Desarrollo del epitelio intestinal humano
La formación de criptas epiteliales uterinas establece un circuito de por vida que mantiene la barrera mucosa. Este estudio observó diferencias posicionales significativas entre muestras proximales (intestino delgado [SI]) y distales (colon) expresadas por genes altamente específicos y confirmadas por análisis de trayectoria y varios módulos TF, lo que sugiere que los programas transcripcionales específicos del sitio ya están establecidos durante el desarrollo antes. formación de criptas.
4. Origen del desarrollo de las células madre epidérmicas
Los investigadores observaron que con el tiempo, las células madre epidérmicas proximales y distales aumentaron gradualmente, lo que es consistente con la etapa temprana de la célula madre epidérmica. programa transcripcional Las diferencias posicionales están en marcado contraste, como LEFTY1? y proximal FOXD1? Al principio del desarrollo (antes de las 12 semanas de la última etapa del embarazo, PCW), los investigadores identificaron una población de células progenitoras similares a tallos epiteliales proximales que se desarrollan hasta convertirse en células epiteliales intestinales tempranas.
Estas células exhiben muchas funciones primitivas, incluida una alta expresión del gen VTN importante para la diferenciación del mesodermo, una baja expresión de LGR5 en comparación con las células madre epidérmicas y la expresión de ONECUT2, que participa en el desarrollo epitelial. Estas células expresan altamente transferrina (TF), lo que confirma la importancia del metabolismo del hierro en la formación de vellosidades.
5. La vía neuroepitelial especializada es el comienzo del desarrollo de las células madre epidérmicas.
Las células de la línea secretora aparecen en 12 PCW y se detecta una pequeña cantidad de células caliciformes en 8-10 PCW. . Sin embargo, las células caliciformes y las células enteroendocrinas aumentaron gradualmente después de 12 PCW, lo que refleja una maduración continua. Las células secretoras se subdividieron en 11 subpoblaciones, que reflejan distintos subtipos de células enteroendocrinas, así como poblaciones de células de Paneth, células caliciformes y células progenitoras NEUROG3?+? A medida que se forman las criptas, se establece esencialmente la diversidad de células enteroendocrinas y las redes asociadas.
Por el contrario, las células BEST4/OTOP2?, que aparecen en el momento más temprano antes de la formación de las criptas, ya difieren en sus niveles de transcripción y no cambian en frecuencia con el tiempo, lo que sugiere que su desarrollo puede ser independiente de Circuito normal de cripta-vellosidad. Además, el análisis predice una fuerte interacción entre BEST4/OTOP2 y las células neurales (que también se establecen en una etapa temprana del desarrollo).
6. Angiogénesis intestinal
Los marcadores transcripcionales a menudo corresponden a características estructurales, que son evidentes en las células endoteliales, que se dividen en tipos venosos, arteriales y linfoides, y se diferencian aún más. sobre el tamaño del buque. Durante el desarrollo, se observa una transición de vasos sanguíneos pequeños a grandes, lo que refleja la angiogénesis intestinal. En relación con las células endoteliales, el subtipo de pericitos está impulsado por factores angiogénicos (PRRX1, THBS4?). Estudios adicionales revelaron que la mayoría de las células en las primeras etapas son progenitoras de alta circulación.
7. Sistema nervioso entérico y lámina propia
A diferencia de los tipos de células que aparecen más tarde en el desarrollo de 7-8 PCW, las células que se originan en la cresta neural entérica migran a lo largo del tracto gastrointestinal hacia el plexo nervioso submucoso e interóseo, que contiene neuronas y células gliales. El estudio identificó distintos progenitores neuronales y gliales y capturó cinco subpoblaciones gliales y siete neuronales. En el intestino adulto, donde los plexos neuronales están rodeados de músculo, las células progenitoras y las células diferenciadas del músculo liso intestinal (iSMC) están marcadas por genes como PLPP2 y ACTA2?, respectivamente. Este estudio identificó 11 grupos asociados a iSMC, incluidas las primeras poblaciones de células estromales PDGFRA?+ y células estromales de Cajal. Este estudio descubrió una red de factores de transcripción clave que describen los miocitos, KLF7 en miocitos y TWIST2 en células mesenquimales y OM
8. Las células mesenquimales en la lámina propia del intestino medio en desarrollo
Los fibroblastos son nombraron subtipos de fibroblastos 1-4 (S1-S4) según la nomenclatura establecida por la secuenciación del transcriptoma unicelular de adultos. Se subdividen en 16 categorías según el tiempo, la ubicación y el período. Las células tipo S3 no sólo constituyen la principal población de fibroblastos en el útero sino que también son más heterogéneas que los fibroblastos. El análisis de trayectoria mostró que las células inmaduras tipo S3 se clasificaron en linajes S3 o S1/2/4. También se encontró que las células progenitoras tipo S3 estaban altamente enriquecidas en la zona proliferativa, lo que sugiere que estas células pueden generar una gran cantidad de fibroblastos diferenciados durante el proceso. este periodo.
En cortes de transcriptoma espacial fetal, la expresión de algunos genes específicos de S3 se localizó en puntos adyacentes a estructuras vasculares en tejidos adultos. La transferencia de etiquetas de tipos de células fetales a cortes de transcriptoma espacial de adultos reveló que la correspondencia entre adultos ¿El S3? Las células HAND1+ y S3?EBF+ se agruparon alrededor de grandes vasos sanguíneos, destacando el posible papel que desempeñan estas células en la formación del soporte vascular intestinal.
9. Mapeo imparcial de los gradientes de morfogénesis inducidos durante el desarrollo intestinal
Una cuestión fundamental para comprender el desarrollo intestinal es cómo se forman los gradientes de factores morfogénicos locales y sus antagonistas en la morfogénesis de las vellosidades intestinales. Este estudio mapeó la morfogénesis genética que involucra ocho vías para dilucidar las funciones de estas moléculas en el espacio y el tiempo. Mediante el análisis de expresión, se identificaron 11 módulos morfogenéticos específicos del tipo de célula y 13 módulos morfogenéticos espacialmente localizados.
Estos módulos generalmente corresponden a la profundidad del tejido en el transcriptoma espacial, y el módulo espacial 3 consta de factores morfogenéticos de origen endotelial, fibroblástico y pericítico ubicados profundamente en el tejido.
10. Los fibroblastos S2 son específicos de sitio y controlan la formación epitelial.
Los fibroblastos S2 peridérmicos o células capilares expresan un exceso del factor de crecimiento β (ligandos de la familia TGF-β y la vía WNT). soporte epitelial. Este estudio identifica tres subpoblaciones S2 distintas durante el desarrollo y estos genes específicos de S2 forman un módulo morfogenético de fibroblastos submucosos importante que contiene DLL1, BMP5 y NRG1. Junto con las interacciones con los receptores, esto resalta la importancia de las células S2 y el rico nicho morfogenético que proporcionan durante la epitelización. Este estudio demuestra que el marcador S2 F3 está presente antes de la formación de criptas y forma protuberancias que aumentan gradualmente con la formación de vellosidades. Por lo tanto, en el intestino humano, los fibroblastos de tipo S2 no sólo son necesarios para el mantenimiento de los sitios de las criptas epiteliales, sino que también pueden desempeñar un papel activo en su formación.
11. Desarrollo de la inmunidad intestinal humana
a. Heterogeneidad de las células inmunes durante la formación del tejido linfoide
Este estudio captura el desarrollo de 2199 células inmunes, incluidas 6 linajes (macrófagos, monocitos, células dendríticas, eosinófilos, linfocitos adaptativos y linfocitos innatos). Las células inmunitarias son más frecuentes en la cavidad peritoneal que en el colon y, en general, son particularmente escasas hasta las primeras etapas del embarazo. El enriquecimiento de las células de la médula ósea se puede observar antes de las 10 semanas de gestación, y hacia las 12 semanas de gestación, hay una gran afluencia de células T CD4+ y CD8+ vírgenes, células NK, linfocitos innatos tipo 1 (ILC) y ILC tipo 3. Los fibroblastos S4 son clave para la formación y el mantenimiento de estructuras linfoides.
Otros mediadores clave de la formación de la placa de Peyer en los ganglios linfáticos incluyen las células del tejido estromal, que promueven la inducción del tejido linfoide a través de los retrocesos del tejido CCL19, CCL21 y CXCL13. Este estudio encontró que están localizados específicamente en dos subpoblaciones de fibroblastos S4 y que su expresión aumenta con el desarrollo. Esto respalda aún más el papel de S4 en la formación de tejido linfoide.
Para confirmar espacialmente estas interacciones, este estudio examinó secciones del transcriptoma espacial de adultos, en las que los folículos linfoides submucosos son estructuras únicas. Los genes marcadores clave para S4 y las células inmunes se expresan en y alrededor de estos folículos, y el análisis factorial confirmó múltiples células inmunes adultas (células B, células T y células mieloides) y tipos de células S4. Este estudio también revela una localización importante de pares de receptores clave en el transcriptoma espacial, lo que demuestra que las células S4, fibroblastos adyacentes al folículo en el colon adulto, contribuyen de manera dependiente del tiempo durante el desarrollo del tejido linfoide intestinal fetal. En conjunto, esto sugiere que los mismos fibroblastos pericriptales en las colecciones de ganglios linfáticos de Pyle son células de soporte de la ecología de las criptas epiteliales, orquestadores de la formación de tejido linfoide y mediadores de las interacciones estromales-inmunitarias, revelando así su papel altamente dinámico hasta ahora no descubierto.
12. Mapeo de la base celular de las enfermedades intestinales congénitas
Para revelar los defectos transcripcionales críticos en el tiempo que pueden conducir a enfermedades intestinales congénitas, este estudio combinó 749 genes de enfermedades conocidas. datos del transcriptoma unicelular de este estudio.
Este estudio integró 749 genes de enfermedades conocidas con los datos del transcriptoma unicelular de este estudio, vinculando así las enfermedades congénitas con los fenotipos. De manera relacionada, estos fenotipos pueden manifestarse de forma altamente específica. defectos del tipo celular y dan como resultado fenotipos tales como trastornos patológicos intestinales, peritoneales, perineales, ganglionares, inflamatorios o neoplásicos.
En este estudio, la secuenciación del transcriptoma unicelular se combinó con la secuenciación del transcriptoma espacial para mapear el momento de la morfogénesis intestinal. El estudio identificó 101 estados celulares, incluidas poblaciones de células progenitoras epiteliales y mesenquimales y procesos de etapa importantes relacionados con la morfogénesis clave. Describe los principios de la formación del eje cripta-vellosidad, la morfogénesis neural, vascular y mesenquimatosa y las poblaciones inmunes del intestino, determina los niveles de diferenciación de los subtipos de fibroblastos y miofibroblastos en desarrollo y aclara sus diferentes funciones.
Se aclaran los orígenes de las placas de Peyer y del tejido linfoide asociado al intestino y se describen los programas inmunitarios específicos del sitio. Este estudio aprovecha este recurso para proporcionar un análisis imparcial del gradiente morfogenético que guía las ondas sucesivas de diferenciación celular y define las células y ubicaciones asociadas con enfermedades intestinales raras del desarrollo, compilando un recurso en línea disponible públicamente: Análisis espaciotemporal del recurso de desarrollo intestinal fetal (STAR). -FINDer), con el fin de promover posteriores trabajos de investigación relacionados.
Referencias
Fawkner-Corbett D, Antanaviciute A, Parikh K, et al. Análisis espaciotemporal del desarrollo intestinal humano con resolución unicelular Cell, 2021, 184: 1-17. .
Liu J | Redacción publicitaria.