Maturation of heart valve cell populations during postnatal remodeling

Article type: Original Article
Institute: The Heart Institute, Division of Molecular Cardiovascular Biology, Cincinnati Children’s Hospital Medical Center, Cincinnati, OH45229, USA
Publication Year: 2019
Rating: ⭐⭐⭐⭐⭐
Status: Reading
Tags: Single-Cell

出生后心脏瓣膜重塑过程中瓣膜细胞群的成熟

摘要

心脏瓣膜细胞在出生后瓣膜小叶分层过程中介导细胞外基质 (ECM) 重塑，但发育中的瓣膜细胞的表型和转录多样性在很大程度上是未知的。小鼠心脏瓣膜细胞的单细胞分析用于评估出生后 ECM 重塑和小叶形态发生过程中的细胞异质性。来自出生后（postnatal day) 第 7 天和第 30 天小鼠主动脉瓣 (AoV) 和二尖瓣 (MV) 心脏瓣膜的单细胞的转录组学分析揭示了存在于P7和P30的不同的黑素细胞、免疫细胞和内皮细胞亚群。相比之下，间质细胞群体从P7到P30是不同的。 P7瓣叶表现出两个不同的表达胶原和糖胺聚糖的间质细胞簇，并普遍存在ECM基因表达。在 P30，四个间质细胞簇是明显的，具有小叶特异性和补体因子、ECM 蛋白和成骨基因的差异表达。这种以单细胞分辨率对出生后心脏瓣膜进行的初始转录组学分析表明，内皮细胞和免疫细胞亚群在整个出生后发育过程中相对恒定，但间质细胞亚群在原始和成熟瓣膜中的基因表达和细胞功能发生变化。

背景知识

脊椎动物成熟的心脏瓣膜由瓣膜间质细胞 (VIC) 和造血细胞 组成，这些细胞嵌入被瓣膜内皮细胞 (VEC) 包围的分层细胞外基质 (ECM) 中。出生时，心脏瓣膜尚未完全成熟，人和小鼠的出生后ECM重塑会产生不同的ECM层。心脏瓣膜重塑包括瓣叶延长，胶原蛋白和弹性蛋白的产生增加，导致在小鼠出生后第 30 天和人类儿童期形成富含胶原蛋白、蛋白多糖和弹性蛋白的层。尽管胚胎心脏瓣膜发育得到了很好的研究，但出生后瓣膜 ECM 重塑的调节机制相对未知。此外，在健康成年人中，出生后的VIC在转录水平上从最小增殖过渡到逐渐静止。除VIC之外，发育中和成熟的瓣膜中还存在其他细胞谱系，包括出生后发生变化的多种造血细胞谱系。然而，先前尚未报道过对出生后心脏瓣膜重塑中细胞组成和异质性的综合分析。

已在心脏瓣膜中鉴定出内皮细胞、间质细胞和免疫细胞谱系，但这些谱系内的多样性和亚群尚未得到很好的表征，出生后心脏瓣膜重塑中的 VIC 分化谱尚未确定。在成熟的猪主动脉瓣中，主动脉和心室表面的 VEC 具有不同的基因表达谱，但尚不清楚这些差异何时在发育过程中出现，或者异质性 VEC 在瓣膜重塑中的作用如何。发育中的瓣膜中存在多种造血衍生细胞类型，包括巨噬细胞和树突细胞，但之前尚未确定全部的浸润细胞。具有黑素细胞特征的色素细胞在成熟和患病的小鼠瓣膜中也很明显，但这些细胞的明确基因表达谱以前没有报道过。最后，长期以来一直怀疑心脏瓣膜内主要产生 ECM 的细胞 VIC 是异质的，在发育中的瓣膜层中有不同的亚群产生特定类型的 ECM，但目前缺乏体内异质性VIC 亚群的基因表达谱。具体来说，尚不清楚不同的 VIC 细胞类型是否负责在出生后心脏瓣膜重塑过程中产生富含胶原蛋白、蛋白多糖和弹性蛋白的 ECM 层。此外，在重塑的心脏瓣膜中可能存在其他细胞类型，因此需要根据出生后单细胞水平的基因表达对细胞类型进行完全无偏见的描述。

作者对两个不同发育阶段的心脏瓣膜进行了单细胞RNA测序（scRNA-Seq），比较了P7的早产瓣膜原基和P30的完全分层瓣膜，以确定心脏瓣膜细胞多样性图谱，并确定参与产后胶原蛋白生成和ECM重塑的关键细胞亚群。证实并发现了P7和P30时都存在的不同的内皮细胞、免疫细胞和黑色素细胞亚群。首次显示了VICs的产后分化，在P7时识别出表达胶原蛋白和蛋白多糖的VICs，其转录与P30的VICs不同，后者包括多个不同的亚群。

数据与结果

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图1

在P7，在瓣膜小叶中开始检测到胶原层的形成（图1A，黑色箭头），与P1时的低表达相反（Amofa等，2017），但原始小叶仍然变厚（图1A）。在P30，瓣膜小叶被拉长，纤维状胶原和蛋白多糖区域化分布（图1A）（Amofa等，2017）。主动脉瓣和二尖瓣小叶的单细胞分离来自P7和P30小鼠的瓣膜，将其汇集和解离以获得单细胞悬液。然后进行DropSeq来生成单个细胞的基因表达谱。经过初步序列分析和排除异常值和低表达细胞后，分析了594个P7细胞和2246个P30细胞的18,702个转录本（图1B）。，该算法可以根据由新引导基因定义的每个细胞簇中高度相关的基因来识别细胞群。整个scRNA-Seq数据集的ICGS解决了九个聚类的细胞群（图1B）。P7细胞存在于五个细胞群中，P30细胞存在于七个细胞群中（图1B）。虽然1至3号细胞群在转录上明显不同，但4至9号细胞群显示一些类似的指导基因，但表达水平不同（图1B）。这种最初的细胞簇明显地将免疫、黑色素细胞、内皮细胞和间质细胞亚群分开，其依据是重塑瓣的引导基因特性。