很多客戶拿到基礎分析數據，確定好細胞類型，揭開了組織異質性的面紗之后，接下來就是對感興趣的細胞類型進行深入挖掘，伯豪可為客戶提供符合需求的個性化分析，豐富研究內容，為文章錦上添花。今天就給大家介紹其中一種——細胞通訊分析。
多細胞生物是由不同類型的細胞組成開放社會，這個社會中的單個細胞間必須協調它們的行為，為此，細胞建立通訊聯絡是必需的。細胞通訊是指一個細胞發出的信息通過介質傳遞到另一個細胞產生相應的反應，通過化學信號分子進行細胞間通訊是動物和植物普遍采用的通訊方式。配體 - 受體復合物介導的細胞 - 細胞通訊對協調發育、分化和炎癥等多種生物學過程具有至關重要的作用。
復雜的細胞外反應始于配體與其同源受體的結合和特定細胞信號通路的激活，定位這些配體 - 受體相互作用是理解細胞行為和對鄰近細胞反應的基礎。隨著單細胞 RNA 測序的日益流行，RNA 測序數據量的指數增長，使得測量多種細胞類型中配體和受體的表達，并系統地解碼細胞間通信網絡，解釋組織在穩態中的功能及其在疾病中的變化成為可能。
分析原理
利用 CellPhoneDB 軟件分析亞群間的通訊作用。CellPhoneDB 根據每個亞群中配體和受體的表達水平，來計算配體 - 受體對在細胞類型中的特異性富集，分析細胞類型之間的相互作用，僅考慮在特定簇中超過 10% 的細胞中表達的受體和配。具體原理：隨機地將所有細胞的簇標簽置換 1,000 次，計算每個 cluster 的受體和配體平均表達水平。兩種細胞類型之間的每種受體 - 配體對會產生一個背景分布。通過計算比實際受體 - 配體對平均值的比例跟背景相比，計算顯著性 P 值。可以根據不同的分析分別分析每一組樣本內的細胞通訊結果，從而對不同組之間的細胞通訊的差異。
CellPhoneDB 簡介
為了研究不同細胞類型間的細胞通訊網絡如何使生理過程得以進行的，英國 Sanger 研究所的 Teichmann 實驗室和 Vento-Tormo?實驗室聯合開發了 CellPhoneDB，一個配體、受體及其相互作用的數據庫，用于細胞通訊網絡的系統分析。該數據庫利用了來自 UniProt、Ensembl、PDB、IUPHAR 等數據庫的信息，共存儲了 978 種蛋白質：501 種為分泌蛋白，585 種為膜蛋白。這些蛋白質參與 1396 種相互作用，其中，有 474 種相互作用涉及分泌蛋白，490 種相互作用僅涉及膜蛋白（圖 1）。與其他數據庫相比，CellPhoneDB 的一個主要優點是它考慮了配體和受體的結構組成，準確地描述了異聚復合物。這一點對于許多細胞因子等蛋白質家族來說尤其重要，因為配體 - 受體相互作用通常涉及多個亞單位，其中受體共享結構亞單位，配體的親和力由受體亞單位的特定組合決定。在儲存在 CellPhoneDB 中的所有蛋白質中，466 種是異聚體。
▲圖 1CellPhoneDB 數據庫概述
案例分享
Cédric Blanpain 團隊今年 8 月在 Nature 上發表的題目為“Heterotypic cell–cell communication regulates glandular stem cell multipotency（異型細胞間通訊調節腺干細胞的多能性）”的文章，利用 CellPhoneDB 評估了對照中成人 BCs 和 LCs、胚胎多能祖細胞以及 LC 消融后鑒定的配體 - 受體相互作用對。表明，在不同條件下存在不同的常見配體 - 受體對。在穩態下，僅在成人 BCs 和 LCs 中發現的配體 - 受體對被認為可調節穩態中 BCs 和 LCs 之間的通訊（功能研究的配體 - 受體對用粗體表示）。
▲圖 2BCs 和 LCs 之間的通訊
今年 4 月張澤民教授團隊在 Cell 發表研究性論文 Single-Cell Analyses Inform Mechanisms of Myeloid-Targeted Therapies in Colon Cancer，使用 CellPhoneDB 將細胞通訊運用自如。例如作者發現 CXCL10-CXCR3 這對配體 - 受體顯著富集在 C1QC+ TAMs 中（圖 3），暗示 C1QC+ TAMs 在招募和激活 T 細胞上的潛在作用（hT08、hT09、hT11、hT15、hT18，是文章識別的不同的 T 細胞類別，在上述細胞 - 細胞通訊網絡中與 C1QC+ TAMs 存在通訊關系）。
▲圖 3 配體 - 受體互作
參考文獻
[1] Efremova Mirjana,Vento-Tormo Miquel,Teichmann Sarah A et al. CellPhoneDB: inferring cell-cell communication from combined expression of multi-subunit ligand-receptor complexes.[J] .Nat Protoc, 2020, 15: 1484-1506.
[2] Centonze Alessia,Lin Shuheng,Tika Elisavet et al. Heterotypic cell-cell communication regulates glandular stem cell multipotency.[J] .Nature, 2020, 584: 608-613.
[3] Zhang Lei,Li Ziyi,Skrzypczynska Katarzyna M et al. Single-Cell Analyses Inform Mechanisms of Myeloid-Targeted Therapies in Colon Cancer.[J] .Cell, 2020, 181: 442-459.e29.
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