牙齒發(fā)育是一個長期且復(fù)雜的生物學(xué)過程，包括形態(tài)發(fā)生、組織礦化和牙齒萌發(fā)等一系列過程，其中涉及細(xì)胞分化，細(xì)胞交互，如上皮-間充質(zhì)相互作用（EMT）。這些過程受各種信號分子的調(diào)節(jié)，然而現(xiàn)階段對細(xì)胞間調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)知之甚少。

本期文獻(xiàn)解讀，小編為您帶來上海第九人民醫(yī)院王紹義研究團(tuán)隊（施越琦為第一作者），于2021年10月發(fā)表在Cell and Bioscience(IF=7.134）上的文章  ——應(yīng)用單細(xì)胞測序技術(shù)，解析牙胚發(fā)育信號通路，文章題目為A single-cell interactome of human tooth germ from growing third molar elucidates signaling networks regulating dental development。

烈冰生物參與本研究中的單細(xì)胞測序工作，下面我們一起了解一下本文的研究思 路和數(shù)據(jù)分析過程。

樣本信息

實(shí)驗(yàn)樣本：患者左下頜第三磨牙。

實(shí)驗(yàn)分組：stageA：stageD=1：1 。

牙胚發(fā)育狀態(tài)（Demirjian等人提出的stageA~H評分評估第三磨牙的發(fā)育狀態(tài)）：stageA（牙尖鈣化，沒有其他鈣化點(diǎn)的合并），stageD（牙釉質(zhì)牙連接處牙冠完全形成）。

單細(xì)胞捕獲平臺：BD Rhapsody 平臺

捕獲細(xì)胞數(shù)：共9855個細(xì)胞

分析思路

結(jié)果分析

1. 人牙胚細(xì)胞類型鑒定

作者利用單細(xì)胞測序技術(shù)，共獲得了9855個細(xì)胞，劃分為11個cluster，主要包括免疫細(xì)胞（T細(xì)胞，中性粒細(xì)胞，巨噬細(xì)胞，單核細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞）約占總數(shù)的83%，成骨細(xì)胞，破骨細(xì)胞，周細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞。此外還發(fā)現(xiàn)了一種異質(zhì)性基因（SOX9+）細(xì)胞群體（分為牙頂端乳頭干細(xì)胞（APSC）和成釉細(xì)胞）。

圖1人牙胚細(xì)胞類型及異質(zhì)性SOX9⁺細(xì)胞群體

2. T細(xì)胞亞群及其細(xì)胞間相互作用模式

從單細(xì)胞數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)在總細(xì)胞中有42%的細(xì)胞為T細(xì)胞，進(jìn)一步探究T細(xì)胞類型，利用Seurat聚類分析得到了8個T細(xì)胞亞群（圖2A-D）。CellphoneDB分析發(fā)現(xiàn)T細(xì)胞亞群與其它細(xì)胞（釉細(xì)胞，破骨細(xì)胞間和單核細(xì)胞等）存在非常強(qiáng)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)系，但細(xì)胞間的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路存在顯著差異（圖2E-G）。

圖2 T細(xì)胞亞型及其細(xì)胞相互作用模式

3. 中性粒細(xì)胞亞群及其細(xì)胞間相互作用模式

接下來，作者對中性粒細(xì)胞進(jìn)一步細(xì)分獲得了7個細(xì)胞亞群，細(xì)胞通訊分析發(fā)現(xiàn)中性粒細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞存在較強(qiáng)的相互作用，特別是抗病毒中性粒細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞相關(guān)性最高——通過CEACAM1-to-SELE通路介導(dǎo)中性粒細(xì)胞活化和遷移。

圖3 中性粒細(xì)胞亞型及其細(xì)胞相互作用模式

4. 成熟成骨細(xì)胞間發(fā)育信號網(wǎng)絡(luò)調(diào)控

作者進(jìn)一步利用擬時序分析來探究成骨細(xì)胞的成熟過程，發(fā)現(xiàn)與成熟成骨細(xì)胞功能相關(guān)的基因OGN迅速增加，調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞增殖的基因PTCH1、SCUBE3逐漸減少；Bone Morphogenetic Protein(BMP)信號通路下調(diào)表達(dá)，bone growth信號通路上調(diào)表達(dá)。另外利用Nichenetr網(wǎng)絡(luò)分析預(yù)測了成骨細(xì)胞間的相互作用配受體作用，并發(fā)現(xiàn)TGFBR1，F(xiàn)GFR3和TGFBR2與大多數(shù)關(guān)鍵基因相關(guān)。更進(jìn)一步利用SCENIC分析發(fā)現(xiàn)8個關(guān)鍵成骨細(xì)胞系的基因（PTCH1, BMP7, EGR2等)。綜上表明作者發(fā)現(xiàn)了一個參與調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

圖4 調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化的細(xì)胞間信號網(wǎng)絡(luò)

5. APSC再生信號通路網(wǎng)絡(luò)

APSC具有自我更新和增殖的能力，利用擬時序分析對APSC整個細(xì)胞周期變化進(jìn)行預(yù)測，作者發(fā)現(xiàn)ASPC再生時存在再生相關(guān)基因（SERPING, DKK3和HSPA1B）的表達(dá)，進(jìn)一步利用差異基因表達(dá)分析，Nichenetr分析及SCENIC等分析，作者發(fā)現(xiàn)在APSC從靜息態(tài)重新進(jìn)入分裂期的過程中，與間充質(zhì)細(xì)胞增殖相關(guān)的基因顯著上調(diào)，與腫瘤壞死因子生物合成和糖胺聚糖分解代謝相關(guān)的基因顯著下調(diào)，BMP-FGFR-MSX1通路在ASPC再生中起到了重要的作用。

圖5 APSC細(xì)胞再生信號通路網(wǎng)絡(luò)

6. 破骨細(xì)胞發(fā)育的信號網(wǎng)絡(luò)

在牙齒和其他骨組織中，單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞可以不斷轉(zhuǎn)化為破骨細(xì)胞。作者通過差異表達(dá)基因分析及Nichenetr分析，發(fā)現(xiàn)BPMR1A和CSF1R主要在巨噬細(xì)胞和破骨細(xì)胞中表達(dá)，而TNFRSF1B和NOTCH1主要在單核細(xì)胞中表達(dá)，成骨細(xì)胞和巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)化受不同信號通路調(diào)節(jié)，并發(fā)現(xiàn)了3個轉(zhuǎn)錄因子(EGR1, TCF4, SMARCA1)的特異表達(dá)。

圖6 破骨細(xì)胞發(fā)育信號通路網(wǎng)絡(luò)

總·結(jié)

該研究中鑒定了人牙胚細(xì)胞類型，發(fā)現(xiàn)了免疫細(xì)胞在牙齒發(fā)育過程中不僅起到了抵御病原物的作用，還分泌一些蛋白調(diào)控牙齒發(fā)育。此外，作者發(fā)現(xiàn)了調(diào)控牙齒發(fā)育的關(guān)鍵信號通路——BMP-FGF-MSX1信號通路。構(gòu)建了人牙齒發(fā)育過程中的細(xì)胞間信號網(wǎng)絡(luò)，為今后的牙齒再生工程和理解口腔病理學(xué)提供了新見解。

原文鏈接

https://doi.org/10.1186/s13578-021-00691-5