研究背景

血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2（ACE2）作為COVID-19的特異性受體在宿主細胞中發(fā)揮著重要作用，從而使得新冠疫情大流行。與特異的肺泡II型細胞相比，ACE2在膀胱、回腸、腎和肝臟中相對的高表達。在本研究中，通過對五個組織的單細胞測序識別出ACE2高表達的細胞類型；隨后，構(gòu)建蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)（PPIN），以識別形成功能性中心節(jié)點的潛在生物標志物。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，腎素-血管緊張素系統(tǒng)和PPAR信號通路對加強新冠病毒感染具有重要作用，本文也顯示出PPAR蛋白家族在功能性中樞節(jié)點中起到重要的作用。為理解潛在標志物的功能，通過構(gòu)建通路語義網(wǎng)絡(luò)研究相關(guān)的通路，隨后，對識別出的通路用PageRank算法進行排秩；接著，這些通路網(wǎng)絡(luò)也由一些基本的代謝通路所構(gòu)成，比如胰島素抵抗通路等。經(jīng)過一系列的研究表明，血管緊張素和PPAR蛋白質(zhì)家族可以認為是新冠患者可能的治療靶點。

研究流程

總的來說，這篇文章遵循著獲取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、識別特異的細胞類型以及進行語義通路的構(gòu)建等的流程來進行研究（Figure 1）。

材料和研究方法

從GEO中獲取（膀胱、回腸、腎、肝臟和肺等）不同組織和器官的單細胞測序數(shù)據(jù)，膀胱的樣本是GEO accession no. GSE129845，sample GSM3723358; 回腸的樣本是GEO accession no. GSE134809，sample GSM3972018;腎的樣本是GEO accession no. GSE131685;肝臟的樣本是GEO accession no. GSE115469，肺臟的樣本是 GEO accession no. GSE122960。

SeuratV3.0用來產(chǎn)生原始的count矩陣，并篩選線粒體數(shù)>5%的細胞，然后用”LogNormalized”函數(shù)進行標準化，并用乘以10000后取自然對數(shù)進行歸一化。主成分方法用來構(gòu)建k近鄰圖，細胞用”FindClusters”方法進行聚類，并用UMAP工具來進行可視化。通過Wilcoxon秩和統(tǒng)計檢驗，使用“FindMarkers”函數(shù)將最小百分比設(shè)為0.25來識別每個聚類中最高差異表達的基因標記。

研究結(jié)果

一、肺組織細胞特異的功能節(jié)點

由于ACE2、AGT和PPARA在PAT2細胞中顯著表達，因此PAT2細胞可作為肺組織的潛在的與新冠病毒感染的細胞。ACE2表達水平的表達圖提示肺對病毒血癥具有高度的易感性。然而，該研究也鑒定了兩種不同的細胞，即漿細胞和肥大細胞。在漿細胞中，三種轉(zhuǎn)錄均顯著表達，而在肥大細胞中，AGT和ACE2顯著表達。

二、膀胱和腎組織細胞特異的功能節(jié)點

在膀胱中，ACE2與尿路上皮細胞有較高的親和力，如Figure 3所示。與PPARA不同，來自PPAR家族的PPARG表達水平顯著。從腎臟來看，ACE2在近端小管細胞和平滑肌細胞中表現(xiàn)出更高的親和力(如Figure 4所示)。

三、回腸與肝臟細胞特異的功能節(jié)點

回腸和肝臟是代謝系統(tǒng)的一個區(qū)域，兩個器官都有ACE2陽性的上皮樣細胞。在回腸中，腸上皮細胞和纖毛上皮細胞有顯著表達ACE2, AGT和PPARA（Figure 5），但是，F(xiàn)igure 6中顯示相對于其他器官，這些細胞表達水平相對較低。類似地，膽管細胞是主要存在于肝組織中的一種上皮細胞。在這些細胞類型中，ACE2、AGT和PPARA標記物的表達值較高。

四、通路語義網(wǎng)絡(luò)結(jié)果

考慮到每一途徑的生物學過程，本文構(gòu)建了語義相似度圖。ACE2在三種不同類型的肺細胞中均有高表達，研究中分別在Figure 7A、B和C中給出了Mast、PAT2和漿細胞的通路語義網(wǎng)絡(luò)。在膀胱中，ACE2在一種特殊的細胞類型中表達，即尿路上皮細胞(如Figure 8A所示)。而在腎臟中，ACE2的近端小管細胞(如Figure 8B所示)和平滑肌細胞(如Figure 8C所示)表達率較高。在回腸細胞類型，如纖毛上皮細胞(如Figure 9A所示)和腸上皮細胞祖細胞(如Figure 9B所示)顯示ACE2的顯著表達水平。與膀胱器官相似，ACE2在肝臟中表達于一種特殊的細胞類型，即膽管細胞(如Figure 9C所示)，ACE2表達水平顯著。在通路語義網(wǎng)絡(luò)圖中，節(jié)點表示一條特定的路徑，加權(quán)邊定義兩條路徑之間的相似度值，刻畫共享生物過程的最大數(shù)量。

在通路語義計算過程中，得到一個合成矩陣，利用該矩陣對每個細胞類型進行PR算法，并根據(jù)得分對細胞類型進行排序。我們發(fā)現(xiàn)腎素-血管緊張素系統(tǒng)(RAS)和PPAR信號通路在大多數(shù)prime細胞類型中獲得較高的排名。此外，胰島素抵抗在這三個器官中也占有重要地位。Figure 10提供了一個熱圖，對應(yīng)于來自不同細胞類型的每個通路的PR值。如前所述，通過計算PR值和對應(yīng)的rank來表示網(wǎng)絡(luò)中各個通路的影響。根據(jù)整體排名和得分，通路在heatmap中很好地分離。含有AGT和PPAR家族蛋白的通路在缺乏胰島素抵抗通路的回腸中排名靠前。此外,PPAR信號通路在肝細胞類型中缺乏。有趣的是，皮質(zhì)醇的合成和分泌途徑在某些細胞類型中起著重要作用。

在單個細胞類型中，受影響的細胞和通路調(diào)節(jié)之間的關(guān)系如Figure 11所示。只顯示了每個器官中高度表達ACE2的細胞類型。從圖中可以看出，PPAR信號通路和RAS是感染后的主要通路。這種細胞類型特異性的研究發(fā)現(xiàn)一些途徑在肺中是共同的，但影響率是不同的,對膀胱和腎臟也類似。

研究結(jié)論

本文采用的基于單細胞的生物信息學策略旨在揭示器官特異性可能感染的細胞類型。本研究的主要目的是確定COVID-19感染期間ACE2失調(diào)可能的通路連接。首先，從五個器官中檢測細胞類型；此外，每一種有影響的細胞類型都有一系列的生物標志物，標志物是根據(jù)與ACE2連接的交互功能樞紐來排序的。有趣的是，AGT和PPAR家族轉(zhuǎn)錄本在每個功能樞紐中都是具有共同的作用。這兩份轉(zhuǎn)錄本將ACE2和功能群落的其余樣本連接起來。根據(jù)相關(guān)文獻，既往觀察到血管緊張素和PPAR家族蛋白參與COVID-19等不同感染，在本實驗中，研究了PPAR信號通路的影響，PPAR通路和RAS信號通路已經(jīng)在hub-specific pathway語義網(wǎng)絡(luò)中得到了證明。該網(wǎng)絡(luò)表明，上述途徑的顯著調(diào)節(jié)可以影響正常代謝通路的正常功能，以及少數(shù)其他通路，如胰島素抵抗。因此，這些通路是COVID-19感染患者重要的治療候選靶標。

 

小編有話說：

單細胞數(shù)據(jù)集的深度挖掘，通過構(gòu)建通路語義網(wǎng)絡(luò)可以揭示更多細胞特異的通路級聯(lián)反應(yīng)和蛋白互作網(wǎng)絡(luò)，更加全面表征細胞間互作關(guān)系。數(shù)據(jù)集的挖掘依賴于生信工程師的專業(yè)技能，如此高大上的生信分析對于一般科研工作者來說還是有一定門檻。不過百邁客強大的生信工程師團隊和云平臺（BMKCloud）已經(jīng)實現(xiàn)你零基礎(chǔ)分析的所有夢想！52款APP實現(xiàn)高度自由個性化分析，118款工具、交互的個性化分析提供無上限分析實操，云平臺課堂高效助您方案設(shè)計和信息分析，百邁客云成為您的私人信息分析平臺，讓基因分析更簡單。

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