单细胞多组学研究揭示心肌病成纤维细胞异质性与细胞外基质重塑关键分子

《Journal of Translational Medicine》：An integrative genomic and single-cell atlas identifies PLAGL1+ FB_c1 fibroblasts as candidate mediators of human cardiac fibrosis

摘要

背景

心肌病是全球心力衰竭的主要原因，其特征是病理性的心脏纤维化，这是疾病进展的核心特征，主要由激活的成纤维细胞驱动。尽管其具有临床重要性，但细胞间的复杂异质性和驱动纤维化重塑的确切分子机制尚未被充分理解，从而限制了靶向治疗干预措施的进展。

方法

为阐明这些机制，我们进行了全面的多组学分析。本研究使用了来自24个人类心脏样本的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据，包括4个正常样本和20个病变样本。这些数据与全基因组关联研究（GWAS）的汇总统计结果以及批量转录组数据集进行了整合。我们的分析框架包括构建细胞图谱、应用单细胞疾病相关性评分（scDRS）和Augur扰动分析、探索蛋白质-蛋白质相互作用网络、利用SCENIC进行伪时间轨迹推断，以及通过scTenifoldKnk进行计算机模拟基因敲除实验。

结果

我们构建了高分辨率的人类心肌病心脏单细胞图谱。病变心脏显示出免疫细胞富集以及一种与疾病相关的激活成纤维细胞亚群FB_c1，该亚群在缺血性心肌病和扩张型心肌病中都表现出富集，并且细胞外基质相关基因的表达升高。综合的scDRS和Augur分析将成纤维细胞确定为与心力衰竭遗传风险和转录扰动相关的细胞群体。多队列转录组分析和基于蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）的优先级排序显示LUM是一个与纤维化相关的细胞外基质（ECM）候选基因。伪时间分析的结果表明成纤维细胞的激活存在连续性，而非明确的谱系分化。调控网络分析、计算机模拟扰动实验和PLAGL1敲低实验的结果支持PLAGL1作为与成纤维细胞激活和ECM重塑相关的候选调节因子。

结论

这项研究对与心肌病相关的细胞和分子结构进行了深入的高分辨率分析。它确定了成纤维细胞（特别是FB_c1亚群）是细胞外基质重塑的疾病相关因素，并识别出LUM和PLAGL1作为与成纤维细胞激活相关的候选分子。这些发现为理解成纤维细胞相关的心脏纤维化提供了一个单细胞和多组学框架。FB_c1被确定为与疾病相关的激活成纤维细胞状态，而PLAGL1和LUM应被视为候选调节因子或标记物，需要进一步的 Raumlich（空间）、功能性和体内验证，才能确定其因果或转化作用。