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整合单细胞RNA测序数据集和批量RNA测序数据集,鉴定HBEGF+成纤维细胞在类风湿关节炎缓解中的作用gydF4y2Ba

摘要gydF4y2Ba

背景gydF4y2Ba

成纤维细胞是滑膜中重要的结构细胞,在维持滑膜稳态中起着重要作用。通过单细胞RNA测序(scRNA-seq),滑膜驻留细胞亚群已被报道可以保护关节内结构免受慢性炎症的影响并促进组织修复。然而,大量的研究人员集中在成纤维细胞在类风湿关节炎(RA)进展中的作用,而很少有报道描述不同的成纤维细胞亚群在RA缓解中的作用。了解成纤维细胞亚群在RA过程中的作用有助于提供预测性生物标志物和解决RA缓解机制。在这里,我们发现HBEGF+成纤维细胞通过整合scRNA-seq数据集和批量RNA测序(bulk RNA-seq)数据集有助于RA缓解。gydF4y2Ba

方法gydF4y2Ba

利用Seurat和Harmony R软件包处理和整合来自RA患者的三个单细胞RNA数据集。通过经典标记基因识别细胞类型后,使用集成数据集运行CellChat进行细胞间通信分析。特别是找到了EGF信号通路,并根据HBEGF的表达鉴定了HBEGF+成纤维细胞。将HBEGF+的差异表达基因绘制成热图和火山图,并进行基因本体(GO)富集分析。然后,比较不同条件下(健康、骨关节炎(OA)、类风湿关节炎、经典治疗前后)滑膜的大量RNA-seq数据集,发现HBEGF以及主要由HBEGF+成纤维细胞表达的基因标志物如CLIC5、PDGFD、BDH2、ENPP1的表达变化。最后,整合两组小鼠滑膜细胞单细胞RNA测序数据集,鉴定Hbegf+成纤维细胞,并计算不同关节状态(健康、K/BxN血清转移性关节炎(STA)和STA缓解)下Hbegf+成纤维细胞的数量。gydF4y2Ba

结果gydF4y2Ba

在整合三个单细胞RNA测序数据集后,我们鉴定出11簇滑膜细胞,如成纤维细胞、壁细胞、内皮细胞、CD4+ T细胞、CD8+ T细胞、自然杀伤细胞、滑膜巨噬细胞、外周血巨噬细胞、浆细胞、B细胞和STMN1+细胞。通过分析滑膜细胞间的细胞-细胞通信,我们发现成纤维细胞与其他簇有广泛的通信网络,并通过EGF信号通路与滑膜巨噬细胞相互作用。EGF信号通路配体HBEGF在成纤维细胞和巨噬细胞亚群中高表达,EGF信号通路受体EGFR在成纤维细胞和半月板细胞中高表达。此外,HBEGF在RA状态下下调,经经典治疗后升高。然后我们将HBEGF高表达的成纤维细胞定义为HBEGF+成纤维细胞。此外,通过GO富集分析,我们还发现HBEGF+成纤维细胞高表达CRTAC1、ITGB8、SCARA5、THBS4和ITGBL1等与编码细胞外基质蛋白相关的基因,并参与细胞迁移和运动、细胞成分运动和细胞生长的正向调控。我们最终鉴定出HBEGF+成纤维细胞特异表达CLIC5、PDGFD、BDH2和ENPP1,与HBEGF表达呈正相关。在RA状态下,CLIC5、PDGFD、BDH2、ENPP1表达下调,经经典治疗后升高。而HBEGF+的巨噬细胞特异表达了SLAMF8、GK、L1RN和JAK2,与HBEGF的表达呈负相关。RA状态下,SLAMF8、GK、L1RN、JAK2表达上调,经经典处理后表达下降。 In mice, the number of Hbegf+ fibroblasts was reduced in the RA synovium but increased in the RA remitting synovium.

结论gydF4y2Ba

HBEGF+成纤维细胞在类风湿关节炎缓解中发挥作用,HBEGF有可能成为预测RA进展的新型生物标志物。gydF4y2Ba

简介gydF4y2Ba

类风湿关节炎(RA)是一种慢性全身性自身免疫性疾病。其特点是慢性滑膜炎和渐进性关节损伤[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba].准确评估RA过程有可能提供最佳的治疗策略,因为目前的临床生物标志物无法监测疾病活动,而且部分炎症试验阴性的患者仍有活动的疾病[gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,gydF4y2Ba5gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba].此外,RA滑膜的分类可能为RA进展提供敏感的预测指标[gydF4y2Ba7gydF4y2Ba].一系列研究表明,越来越多的单核吞噬细胞、滑膜成纤维细胞、B细胞和T细胞参与了RA的进展,并造成关节软骨和骨骼的破坏[gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba11gydF4y2Ba,gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba13gydF4y2Ba,gydF4y2Ba14gydF4y2Ba].然而,很少有研究者关注滑膜细胞在RA缓解中的作用。最近,在单细胞转录组测序技术的帮助下,在滑膜中发现了有助于RA缓解的组织驻留巨噬细胞。在人类中,默tk的人口gydF4y2BaposgydF4y2BaCD206gydF4y2BaposgydF4y2Ba与活动期RA滑膜相比,缓解期RA滑膜组织中巨噬细胞增多。此外,MerTKgydF4y2BaposgydF4y2BaCD206gydF4y2BaposgydF4y2Ba滑膜组织巨噬细胞具有生物功能,包括介质轮廓分辨率和修复反应[gydF4y2Ba15gydF4y2Ba].在小鼠中,局部更新的Cx3cr1+组织驻留巨噬细胞形成紧密连接屏障,以保护关节内结构免受炎症反应[gydF4y2Ba16gydF4y2Ba].这两项研究强烈提示,可能存在着在滑膜内具有相似功能和恢复滑膜内稳态的滑膜驻留细胞亚群。gydF4y2Ba

成纤维细胞是滑膜中重要的结构细胞,在维持机体稳态中起着重要作用。既往文献报道成纤维细胞在RA病理过程中发挥重要作用[gydF4y2Ba17gydF4y2Ba].最近的scRNA-seq分析也描述了滑膜中成纤维细胞的异质性[gydF4y2Ba18gydF4y2Ba]并确定了与RA相关的特定簇,如THY1+成纤维细胞,它们与巨噬细胞和内皮细胞相互作用,并导致严重的炎症性关节炎[gydF4y2Ba19gydF4y2Ba,gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba].然而,这些研究大多集中在成纤维细胞亚类在促进关节炎炎症中的作用。与MerTK通信的成纤维细胞亚群gydF4y2BaposgydF4y2BaCD206gydF4y2BaposgydF4y2Ba滑膜组织巨噬细胞和参与组织修复尚未有详细报道[gydF4y2Ba15gydF4y2Ba].此外,由于对成纤维细胞亚类的详细描述在阐明RA缓解机制和监测RA活性方面的作用,我们假设有一个独特的成纤维细胞群体在RA缓解中发挥积极作用。在这项研究中,我们整合了单细胞RNA测序数据集和批量RNA-seq数据集,发现HBEGF+成纤维细胞在RA缓解中发挥了重要作用。gydF4y2Ba

方法gydF4y2Ba

数据收集gydF4y2Ba

共有13个数据集,包括7个单细胞转录组数据集和6个批量RNA-seq数据集,来自公共数据集Gene Expression Omnibus (GEO)和NIH IMMPOR (TablegydF4y2Ba1gydF4y2Ba).单细胞转录组数据集包含1组来自RA患者的外周血单个核细胞,1组来自RA患者的滑膜细胞[gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba], 1个来自RA患者的CD45−滑膜细胞数据集[gydF4y2Ba9gydF4y2Ba], 1个骨性关节炎(OA)患者软骨细胞数据集[gydF4y2Ba21gydF4y2Ba, 1组来自OA患者的半月板细胞[gydF4y2Ba22gydF4y2Ba], 1组CD45+滑膜细胞小鼠不同关节炎状态(健康和K/BxN血清转移性关节炎(STA)) [gydF4y2Ba16gydF4y2Ba],以及不同关节炎状态(健康、STA和STA缓解)小鼠滑膜细胞的1个数据[gydF4y2Ba9gydF4y2Ba].批量RNA-seq数据集包含1个成纤维细胞数据集[gydF4y2Ba19gydF4y2Ba], 1个巨噬细胞数据集[gydF4y2Ba23gydF4y2Ba从102例不同状态的关节炎(健康、RA、OA)患者的滑膜组织5个多中心数据集[gydF4y2Ba24gydF4y2Ba,gydF4y2Ba25gydF4y2Ba],以及药物治疗前后RA患者滑膜组织1个数据集[gydF4y2Ba26gydF4y2Ba].所有数据集在R (V.4.0.0)中处理,结果使用ggplot2 R包(V.3.3.5)显示。gydF4y2Ba

表1数据集归纳gydF4y2Ba

人类单细胞RNA测序分析gydF4y2Ba

人类单细胞转录组数据集由3个RA患者数据集和2个OA患者数据集组成,基于关节炎的状态进行分析。gydF4y2Ba

整合RA患者细胞的scRNA-seq数据集gydF4y2Ba

根据Seurat单细胞分析标准工作流程[gydF4y2Ba27gydF4y2Ba,gydF4y2Ba28gydF4y2Ba,首先,每个数据集用于创建Seurat对象。具体而言,检测到的基因<500且>5%线粒体污染的细胞被定义为低质量细胞,检测到>4500的细胞被确定为潜在的双重细胞。他们从每个数据集中过滤出来。筛选后共选择29382个细胞进行后续处理。所有RA Seurat对象合并成一个不同的RA状态对象。合并对象被规范化(函数NormalizeData,方法= " LogNormalize, " scale)。因子= 10000)时,筛选出可变基因最多的3000个基因,对这些基因的表达水平进行测量,然后在可变基因空间进行PCA分析。接下来,通过运行Harmony(1.0版本)来纠正批处理效果并集成合并对象[gydF4y2Ba29gydF4y2Ba].前25个和谐维度作为UMAP的输入,并以0.2的聚类分辨率将前两个UMAP维度可视化。所有步骤都是使用在Harmony包和Seurat包(NormalizeData, FindVariableFeatures, ScaleData, RunPCA, FindNeighbours, FindClusters, RunUMAP)中实现的函数执行的,除了提到的地方。gydF4y2Ba

然后,通过典型标记基因,如PRG4、PDPN(成纤维细胞)、THY1、MCAM(壁细胞)、CD34、VWF(内皮细胞)、CD2、CD4 (CD4+ T细胞)、CD8A、GNLY、GZMB (CD8+ T细胞)、LTB、CD3D(自然杀伤细胞)、VSIG4、CD163(滑膜巨噬细胞)、CD68、LYZ(外周血巨噬细胞)、XBP1、CD27(浆细胞)、CD79A、CD37 (B细胞)和STMN1 (STMN1+细胞)来标记不同的细胞类型。利用Dotplot可视化各聚类的基因表达。gydF4y2Ba

整合OA患者的细胞scRNA-seq数据集gydF4y2Ba

OA scRNA-seq数据集按照上述步骤使用相同的参数进行集成。筛选后共6708个细胞进行分析,并根据细胞来源划分不同的细胞类型。使用功能FeaturePlot显示EGFR的表达。gydF4y2Ba

类风湿关节炎滑膜中的细胞-细胞通讯gydF4y2Ba

确定RA滑膜细胞类型后,通过实现CellChat (V.1.1.3)管道分析细胞与细胞之间的通信[gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba].一个新的CellChat对象从合并Seurat对象创建。以CellChatDB的旁分泌/自分泌信号交互数据集作为参考数据库。接下来,使用截断平均值20%计算通信概率(函数computeCommunProb,类型=“truncatedMean”,修剪= 0.2)。在此基础上,对细胞间通信进行推断,并根据默认参数聚合细胞间通信网络。相互作用的数量被可视化显示聚集的细胞-细胞通信网络和每个细胞集群发送的信号。heatmap显示了EGF信号通路网络,基于合并的RA Seurat对象的功能特征图显示了参与EGF信号通路的配体如HBEGF、AREG、BTC、EGF、EREG、TGFA和受体EGFR。gydF4y2Ba

HEBGF+成纤维细胞生物信息学分析gydF4y2Ba

当将UMAP前两个维度的聚类分辨率从0.2改变到0.5时,高表达HBEGF的成纤维细胞被分为一组。因此,将这组细胞定义为HBEGF+成纤维细胞(HBEGF平均表达高于1.5),将HBEGF低表达成纤维细胞定义为HBEGF -成纤维细胞。高表达HBEGF的巨噬细胞被定义为HBEGF+巨噬细胞,低表达HBEGF的巨噬细胞被定义为HBEGF -巨噬细胞。利用FindMarkers (Seurat R包)函数计算HBEGF+成纤维细胞与HBEGF -成纤维细胞的差异基因表达,并在火山图中显示。使用功能findallmarker (Seurat R包)计算各细胞类型的基因表达,并使用功能Doheatmap (Seurat R包)在heatmap中显示前10个细胞类型的基因表达。使用函数Vlnplot (Seurat R包)显示CLIC5、PDGFD、BDH2、ENPP1、SLAMF8、GK、L1RN和JAK2的表达。选择具有log2倍改变的HBEGF+成纤维细胞和HBEGF -成纤维细胞差异表达基因标记>1,使用clusterProfiler R包生成用于GO富集分析的基因列表(V.4.2.2) [gydF4y2Ba31gydF4y2Ba,gydF4y2Ba32gydF4y2Ba].gydF4y2Ba

人批量RNA测序分析gydF4y2Ba

大量RNA-seq数据集包括1组人类滑膜组织成纤维细胞数据集、1组人类滑膜组织巨噬细胞数据集、5组来自53个RA关节、33个OA关节和26个健康关节的滑膜组织多中心数据集,以及1组来自12例RA患者的滑膜组织数据集,这些滑膜组织来自三联抗风湿药物(三联DMARD治疗、甲氨蝶呤、柳氮磺胺嘧啶和羟氯喹)经经典治疗前后。将来自细胞和滑膜组织的数据集集成,分别进行分析。分别分析药物治疗前后RA关节数据。gydF4y2Ba

将成纤维细胞和巨噬细胞的数据集合并并归一化,然后校正批处理效应。使用Sva R包(V. 3.42.0)运行ComBat函数修正批处理效果。然后点图显示HBEGF在成纤维细胞和巨噬细胞中的表达。用Student’s法检测成纤维细胞和巨噬细胞之间的HBEGF表达gydF4y2BatgydF4y2Ba测试的显著性阈值为gydF4y2BaPgydF4y2Ba< 0.05。接着,将成纤维细胞样本分为高HBEGF组(HBEGF计数高于1000)、中HBEGF组(HBEGF计数在100 ~ 1000之间)和低HBEGF组(HBEGF计数低于100)。采用DESeq2 R包(V 1.36.0)对HBEGF高、低表达组与差异表达基因(log2 fold change >1 andgydF4y2BapgydF4y2Ba< 0.05)。gydF4y2Ba

按照上述步骤对五个多中心批量RNA-seq数据集进行合并、规范化和校正。然后用箱线图显示HBEGF、AREG、BTC、EGF、EREG、TGFA的表达。采用Pearson相关检验对HBEGF及CLIC5、PDGFD、BDH2、ENPP1、GK、IL1B、L1RN、SLAMF8等基因标记分别进行点图显示。用Student’s法检测健康关节与RA关节间HBEGF、CLIC5、PDGFD、BDH2、ENPP1、GK、IL1B、L1RN、SLAMF8的表达gydF4y2BatgydF4y2Ba测试的显著性阈值为gydF4y2BaPgydF4y2Ba< 0.05。采用配对Student法检测治疗前后HBEGF、CLIC5、PDGFD、BDH2、ENPP1、GK、IL1B、L1RN、SLAMF8的表达gydF4y2BatgydF4y2Ba测试并显示在箱线图上,显著性阈值为gydF4y2BaPgydF4y2Ba< 0.05。gydF4y2Ba

小鼠单细胞RNA测序分析gydF4y2Ba

小鼠单细胞转录组数据集由来自健康关节和STA小鼠的CD45+CD11b+Ly6G-滑膜细胞数据集和来自健康关节、STA和STA缓解小鼠的滑膜细胞数据集组成。gydF4y2Ba

按照整合具有相同参数的RA患者细胞scRNA-seq数据集的步骤,我们整合了两个小鼠scRNA-seq数据集。筛选后共28983个细胞用于分析。接下来,通过标记基因,如Prg4、Pdpn、Hbegf (Hbegf+成纤维细胞和Hbegf -成纤维细胞)、Thy1、Mcam(壁细胞)、Cd34、Vwf(内皮细胞)、Cd2、Cd4 (T细胞)、Vsig4、Cd163(滑膜巨噬细胞)、Cd79A、Cd37 (B细胞)和Stmn1 (Stmn1 +细胞)来识别不同的细胞类型。Hbegf的表达式用函数FeaturePlot表示。使用功能findallmarker计算每种细胞类型的差异基因表达。接下来,将Hbegf+成纤维细胞的差异表达基因标记按log2倍变化排序,生成基因列表,然后作为GSEA分析的输入。应用fgsea (V.1.2.0)时,选择人类各细胞类型中差异表达量最高的200个基因标记作为基因集。最后计算不同关节炎条件下Hbegf+成纤维细胞的百分比。gydF4y2Ba

结果gydF4y2Ba

HBEGF在RA滑膜中表达下调,在RA缓解滑膜中表达上调gydF4y2Ba

在Harmony整合了三个scRNA-seq数据集并进行批量校正后,总共有29382个细胞被纳入下游分析。在RA滑膜中发现了11个簇,并以统一流形近似和投影(UAMP)显示(图2)。gydF4y2Ba1gydF4y2Baa)并根据典型标记基因定义为成纤维细胞(PRG4和PDPN)、壁细胞(THY1和MCAM)、内皮细胞(CD34和VWF)、CD4+ T细胞(CD2和CD4)、CD8+ T细胞(CD8A、GNLY和GZMB)、自然杀伤细胞(LTB和CD3D)、滑膜巨噬细胞(CD68和LYZ)、外周血巨噬细胞(CD68和LYZ)、浆细胞、B细胞(CD79A和CD37)和STMN1+细胞(STMN1)(图7)。gydF4y2Ba1gydF4y2Bab)。gydF4y2Ba

图1gydF4y2Ba
图1gydF4y2Ba

类风湿关节炎滑膜的串扰分析。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba来自三个人类数据集的29382个细胞的单细胞RNA-seq数据的UMAP。集成数据集UMAP的11个簇。gydF4y2BabgydF4y2Ba点图显示各聚类典型标记基因的平均表达水平。gydF4y2BacgydF4y2BaRA滑膜内各簇间串扰分析gydF4y2Ba

接下来,利用CellChat分析RA滑膜微环境中各细胞类型之间的细胞-细胞间的通信(图1)。gydF4y2Ba1gydF4y2Bac).我们发现成纤维细胞与其他簇有广泛的通信网络,并参与各种旁分泌或自分泌信号的相互作用。gydF4y2Ba

在所有纤维母细胞参与的信号通路中,我们发现了EGF信号通路,即纤维母细胞与滑膜巨噬细胞之间的配体-受体相互作用(图。gydF4y2Ba2gydF4y2Baa). HBEGF是EGF信号通路中的配体之一,主要表达于部分成纤维细胞和滑膜巨噬细胞(图1)。gydF4y2Ba2gydF4y2Bab)其他与EGFR相互作用的配体,如AREG、BTC、EGF、EREG和TGFA,在所有聚类中均低表达(图3)。gydF4y2Ba2gydF4y2Bad). HBEGF对应的受体EGFR仅在成纤维细胞中表达(图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba在滑膜c)。然后我们注意到关节腔内的软骨、半月板等其他组织,发现半月板细胞EGFR高表达,而软骨细胞不高表达(图。gydF4y2Ba2gydF4y2Bae, f)。接下来,我们比较了从健康、OA和RA条件下的滑膜细胞中获取的大量RNA-seq数据。与健康和OA状态相比,RA状态下HBEGF表达显著降低(gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 0.0003,无花果。gydF4y2Ba2gydF4y2Bag)。此外,与HBEGF相比,其他EGFR配体如AREG、BTC、EGF、EREG、TGFA的表达在所有病例中都极低。3次DMARD治疗6个月后,RA滑膜中HBEGF表达增加(gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 0.05433,无花果。gydF4y2Ba2gydF4y2Bah)。gydF4y2Ba

图2gydF4y2Ba
图2gydF4y2Ba

RA滑膜EGF信号通路。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba显示RA滑膜中各簇EGF信号相互作用得分的热图。gydF4y2BabgydF4y2Ba点图显示EGF信号通路的配体(HBEGF)和受体(EGFR)。gydF4y2BacgydF4y2Ba点图显示EGF信号通路的其他配体(AREG、BTC、EGF、EREG和TGFA)。gydF4y2BadgydF4y2Ba6708个来自OA半月板和软骨UMAP和EGF信号通路受体(EGFR)的细胞点图(gydF4y2BaegydF4y2Ba).gydF4y2BafgydF4y2Ba使用健康关节滑膜的整体RNA-seq谱图显示配体(HBEGF、AREG、BTC、EGF、EREG和TGFA)的表达(gydF4y2BangydF4y2Ba= 26), RA关节滑膜(gydF4y2BangydF4y2Ba= 53),和OA关节滑膜(gydF4y2BangydF4y2Ba= 33)。意义由学生决定gydF4y2BatgydF4y2Ba测试(gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 0.0003)。gydF4y2BaegydF4y2Ba箱线图显示三次DMARD治疗前后RA滑膜中HBEGF批量RNA-seq表达(gydF4y2BangydF4y2Ba= 19)。显著性由学生配对决定gydF4y2BatgydF4y2Ba测试(gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 0.05433)gydF4y2Ba

HBEGF+成纤维细胞在滑膜中是一个具有独特生物功能的亚群gydF4y2Ba

从图中可以看出。gydF4y2Ba2gydF4y2Bab, HBEGF高表达的成纤维细胞(HBEGF平均表达量高于1.5)分布为小组。我们将其定义为HBEGF+成纤维细胞,将HBEGF低表达的成纤维细胞定义为HBEGF -成纤维细胞。参照前人的研究,将高表达HBEGF和低表达HBEGF的巨噬细胞分别定义为HBEGF+巨噬细胞和HBEGF -巨噬细胞(图2)。gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba一个)。gydF4y2Ba

图3gydF4y2Ba
图3gydF4y2Ba

HBEGF+成纤维细胞生物信息。gydF4y2Ba一个gydF4y2BaUMAP可见RA滑膜的HBEGF+成纤维细胞。gydF4y2BabgydF4y2BaHBEGF+成纤维细胞和HBEGF -成纤维细胞的差异基因表达如图火山图所示。gydF4y2BacgydF4y2BaHeatmap显示了每个簇的前10个表达基因标记。gydF4y2BadgydF4y2BaHBEGF在滑膜成纤维细胞中的表达(gydF4y2BangydF4y2Ba= 25)和巨噬细胞(gydF4y2BangydF4y2Ba= 12)通过批量RNA测序(gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 0.7911)绘制为log2计数+ 1。gydF4y2BaegydF4y2Ba高HBEGF组和低HBEGF组之间的差异表达基因在HBEGF+成纤维细胞和HBEGF -成纤维细胞图中被突出显示gydF4y2BabgydF4y2Ba.gydF4y2BafgydF4y2Ba,gydF4y2BaggydF4y2BaHBEGF+成纤维细胞GO富集分析(gydF4y2BafgydF4y2Ba)和HBEGF -成纤维细胞(gydF4y2BaggydF4y2Ba)gydF4y2Ba

通过计算HBEGF+成纤维细胞和HBEGF -成纤维细胞之间的差异基因表达,我们检测到162个基因在HBEGF+成纤维细胞和HBEGF -成纤维细胞之间具有不同的表达模式。HBEGF+成纤维细胞高表达的基因标记有44个,HBEGF -成纤维细胞高表达的基因标记有118个。HBEGF+成纤维细胞的主要差异表达基因是HBEGF,而HBEGF -成纤维细胞的差异表达基因是MDK,这与RA的发病机制有关(图1)。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bab)接下来,我们找出了每个簇主要表达的基因,发现HEBGF+成纤维细胞在其他高表达CRTAC1、ITGB8、SCARA5、THBS4和ITGBL1的亚群中具有异质性,而HBEGF -成纤维细胞高表达CXCL12和MMP2(图2)。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bac).在滑膜成纤维细胞和巨噬细胞的批量RNA测序数据中,我们也发现了滑膜中高表达HBEGF的成纤维细胞和巨噬细胞亚群(图。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bad).与低HBEGF组(HBEGF计数低于100的成纤维细胞)相比,高HBEGF组(HBEGF计数高于1000的成纤维细胞)的差异表达基因(DEG)在HBEGF+成纤维细胞中更为丰富。gydF4y2Ba

最后,我们使用氧化石墨烯富集分析,找出HBEGF+成纤维细胞和HBEGF -成纤维细胞在生物功能上的差异。我们发现,HBEGF+成纤维细胞参与细胞迁移和运动、细胞成分运动和细胞生长的正向调节,而HBEGF -成纤维细胞参与胶原代谢和分解代谢过程和血管生成(图1)。gydF4y2Ba3.gydF4y2Baf, g)。gydF4y2Ba

RA滑膜中HBEGF+成纤维细胞数量减少,缓解滑膜中HBEGF+成纤维细胞数量增加gydF4y2Ba

为了评估HBEGF+成纤维细胞在滑膜不同状态下的群体变化,我们研究了HBEGF+成纤维细胞和HBEGF+巨噬细胞特异表达的基因标记物。我们发现,CLIC5、PDGFD、BDH2、ENPP1主要由HBEGF+成纤维细胞表达,而SLAMF8、GK、L1RN、JAK2主要由HBEGF+巨噬细胞表达(图1)。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba一个)。gydF4y2Ba

图4gydF4y2Ba
图4gydF4y2Ba

HBEGF+成纤维细胞群体变化。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba利用单细胞RNA-seq谱图在Vin图中显示了CLIC5、PDGFD、BDH2、ENPP1、SLAMF8、IL1RN、GK和JAK2的表达。gydF4y2BabgydF4y2Ba点图显示HBEGF与基因标记CLIC5 (Cor = 0.5917)、PDGFD (Cor = 0.4276)、BDH2 (Cor = 0.4415)、ENPP1 (Cor = 0.4097)、SLAMF8 (Cor =−0.5497)、L1RN (Cor =−0.2266)、GK (Cor =−0.3257)、JAK2 (Cor =−0.4875)的Pearson相关性。gydF4y2BacgydF4y2Ba利用健康关节滑膜的bulk RNA-seq谱图显示CLIC5、PDGFD、BDH2、ENPP1、SLAMF8、IL1RN、GK和JAK2的表达在箱图中(gydF4y2BangydF4y2Ba=26), RA关节滑膜(gydF4y2BangydF4y2Ba= 53),和OA关节滑膜(gydF4y2BangydF4y2Ba= 33)。意义由学生决定gydF4y2BatgydF4y2Ba测试(CLIC5,gydF4y2BaPgydF4y2BaPDGFD = 0.0018,gydF4y2BaPgydF4y2BaBDH2 = 0.0238,gydF4y2BaPgydF4y2BaENPP1 = 0.0001,gydF4y2BaPgydF4y2BaSLAMF8 = 0.0399,gydF4y2BaPgydF4y2BaL1RN = 0.0001,gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 0.0602,门将,gydF4y2BaPgydF4y2BaJAK2 = 0.1461,gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 0.0001)。gydF4y2BadgydF4y2Ba使用RNA-seq批量分析了三次DMARD治疗前后RA滑膜中CLIC5、PDGFD、BDH2、ENPP1、SLAMF8、IL1RN、GK和JAK2的表达情况(gydF4y2BangydF4y2Ba= 19)。显著性由学生配对决定gydF4y2BatgydF4y2Ba测试(CLIC5,gydF4y2BaPgydF4y2BaPDGFD = 0.0355,gydF4y2BaPgydF4y2BaBDH2 = 0.0022,gydF4y2BaPgydF4y2BaENPP1 = 0.0010,gydF4y2BaPgydF4y2BaSLAMF8 = 0.0124,gydF4y2BaPgydF4y2BaL1RN = 0.0038,gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 0.4620,门将,gydF4y2BaPgydF4y2BaJAK2 = 0.1461,gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 0.0048)。gydF4y2BaegydF4y2BaUMAP投影来自两个小鼠数据集的28983个细胞的单细胞RNA-seq数据。集成数据集UMAP的七个簇。gydF4y2BafgydF4y2Ba点阵图显示Hbegf的表达式。gydF4y2BaggydF4y2BaGSEA将人类滑膜中每个细胞簇的前200个表达基因标记作为基因集,并对小鼠滑膜中Hbegf+成纤维细胞的基因列表进行排序。HBEGF+成纤维细胞归一化富集分数,NES = 1.6723,gydF4y2BaPgydF4y2Ba.adj = 0.0001。gydF4y2BahgydF4y2Ba不同状态(健康、STA、治疗后STA)滑膜中Hbegf+成纤维细胞百分比gydF4y2Ba

然后,我们在整合的批量RNA测序数据集中选取这些基因标记进行Pearson相关性检验,发现CLIC5、PDGFD、BDH2和ENPP1的表达与HBEGF的表达呈正相关,而SLAMF8、GK、L1RN和JAK2的表达与HBEGF的表达呈负相关(图1)。gydF4y2Ba4gydF4y2Bab).与健康和OA状态下滑膜相比,CLIC5、PDGFD、BDH2、ENPP1的表达降低,而SLAMF8、GK、L1RN、JAK2的表达增加(图1)。gydF4y2Ba4gydF4y2Bac).此外,经三联DMARD治疗后,大部分患者的CLIC5、PDGFD、BDH2、ENPP1表达均有升高。相反,大部分患者治疗后,SLAMF8、GK、L1RN和JAK2的表达降低(图。gydF4y2Ba4gydF4y2Bad)。gydF4y2Ba

接下来,我们分析了来自不同关节炎状态(健康、STA和治疗后STA)小鼠的单细胞RNA测序数据集。28,983个细胞包括成纤维细胞、壁细胞、内皮细胞、T细胞、滑膜巨噬细胞、B细胞和STMN1+细胞(图1)。gydF4y2Ba4gydF4y2Bae).小鼠滑膜中也存在Hbegf+成纤维细胞(图1)。gydF4y2Ba4gydF4y2Baf).然而在小鼠滑膜中却发现少量Hbegf高表达的巨噬细胞。为了证明来自小鼠的Hbegf+成纤维细胞与来自人类的Hbegf+成纤维细胞相似,我们进行了GSEA分析,发现来自小鼠的Hbegf+成纤维细胞表型比来自人类的其他簇更接近Hbegf+成纤维细胞(图2)。gydF4y2Ba4gydF4y2Bag).最后,我们发现在不同条件下,Hbegf+成纤维细胞的群体变化与Hbegf的表达变化具有相似的模式。与健康组织相比,RA滑膜中Hbegf+成纤维细胞比例降低。但治疗后,Hbegf+成纤维细胞比例恢复到健康水平(图;gydF4y2Ba4gydF4y2Bah)。gydF4y2Ba

讨论gydF4y2Ba

在类风湿关节炎(RA)中,滑膜成纤维细胞被认为是调节关节内稳态的关键作用[gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba17gydF4y2Ba,gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,gydF4y2Ba19gydF4y2Ba,gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba].与之前的研究相呼应,我们的研究证实了成纤维细胞在RA滑膜中与其他团簇有广泛的通信网络。在成纤维细胞和其他簇间的细胞-细胞通讯中,我们发现了EGF单发通路和HBEGF+成纤维细胞。gydF4y2Ba

本研究根据HBEGF的表达情况将成纤维细胞细分为2个簇。高表达HBEGF(平均表达高于1.5)的成纤维细胞为HBEGF+成纤维细胞,低表达的为HBEGF -成纤维细胞。HBEGF,肝素结合egf样生长因子,是表皮生长因子受体(包括EGFR) ErbB家族的配体之一[gydF4y2Ba33gydF4y2Ba].刺激细胞的迁移、分化和增殖,填充受损区域,修复组织损伤。近期文献报道HBEGF在tnf驱动的慢性肠道炎症中的保护作用[gydF4y2Ba34gydF4y2Ba和软骨变性疾病[gydF4y2Ba35gydF4y2Ba].本研究发现,经经典治疗策略三联DMARD治疗后,RA滑膜中HBEGF表达下调,HBEGF表达升高。在不同关节炎状态的小鼠的Hbegf+成纤维细胞中也可以看到类似的模式。Hbegf+成纤维细胞在RA关节中减少,而在RA缓解关节中增加。氧化石墨烯富集分析表明,HBEGF+成纤维细胞在细胞生长和细胞迁移和运动的积极调节细胞成分的运动中发挥作用,而HBEGF -成纤维细胞则表现出相反的生物功能,并参与胶原代谢过程和血管生成,这些被证明可以促进关节炎的炎症[gydF4y2Ba36gydF4y2Ba,gydF4y2Ba37gydF4y2Ba,gydF4y2Ba38gydF4y2Ba].因此,我们认为HBEGF+成纤维细胞在RA缓解中发挥了重要作用。我们也相信,对HBEGF+成纤维细胞的进一步研究有助于阐明RA缓解的机制,并可能发现新的预测RA进程的生物标志物。gydF4y2Ba

在滑膜中,部分滑膜巨噬细胞也高表达HBEGF。既往研究将其定义为HBEGF+巨噬细胞,并描述其在RA滑膜中的功能[gydF4y2Ba9gydF4y2Ba].HBEGF+巨噬细胞激活滑膜成纤维细胞,随后诱导对滑膜的侵袭。为了找出HBEGF的主要来源,我们通过Pearson相关性检验发现HBEGF表达与HBEGF+成纤维细胞的相关性大于与HBEGF+巨噬细胞的相关性。在小鼠滑膜中,我们发现Hbegf+成纤维细胞存在,而Hbegf+巨噬细胞不存在。此外,Hbegf+成纤维细胞的群体变化与Hbegf的表达变化具有相似的模式。RA状态滑膜中Hbegf+成纤维细胞数量减少,RA缓解后增加。这意味着滑膜中HBEGF的主要来源是HBEGF+成纤维细胞,而不是HBEGF+巨噬细胞,HBEGF+成纤维细胞的群体变化是HBEGF表达变化的原因之一。gydF4y2Ba

本研究证实了HBEGF在RA状态滑膜中表达下调。然而,以往的文献指出,erbbb家族通路在慢性疼痛中的重要性以及EGF单通路的激活会导致RA的恶化。例如,在小鼠爪内注射HBEGF可引起疼痛性机械过敏和剧烈疼痛,阻断ErbB受体可减轻RA疼痛和关节炎症[gydF4y2Ba39gydF4y2Ba,gydF4y2Ba40gydF4y2Ba].在体内,HBEGF有两种不同的结构形式,分别是跨膜蛋白proHBEGF和可溶性蛋白sHBEGF [gydF4y2Ba41gydF4y2Ba,gydF4y2Ba42gydF4y2Ba].proHBEGF是sHBEGF的前体,可以在质膜上裂解生成sHBEGF。proHBEGF参与近分泌活动,sHBEGF参与旁分泌活动。从scRNA-seq数据中,我们注意到HBEGF+成纤维细胞只占一小部分,而HBEGF -成纤维细胞数量巨大。特别的是,HBEGF -成纤维细胞高表达ErbB受体EGFR,同时也高表达MDK (Midkine) [gydF4y2Ba43gydF4y2Ba]和CXCL12 (C-X-C Motif Chemokine Ligand 12) [gydF4y2Ba44gydF4y2Ba,gydF4y2Ba45gydF4y2Ba参与风湿性关节炎的病理生理学。因此,HEBGF+成纤维细胞和HEBGF -成纤维细胞之间的不同空间位置可能在某种程度上阻止了proHBEGF与EGFR的接触并激活HBEGF -成纤维细胞。此外,少量的HBEGF+成纤维细胞限制了sHBEGF的产生,并通过其他方式抑制了sHBEGF与HEBGF -成纤维细胞的相互作用。相反,注射外源性作为sHBEGF的HBEGF,直接介导HBEGF -成纤维细胞表达EGFR,随后激活HBEGF -成纤维细胞分泌越来越多的细胞因子和趋化因子。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

综上所述,治疗后RA滑膜中HBEGF+成纤维细胞数量和HBEGF表达减少,HBEGF表达增加。综上所述,HBEGF+成纤维细胞在类风湿关节炎的缓解中发挥作用,HBEGF有可能成为预测类风湿关节炎进展的新型生物标志物。gydF4y2Ba

数据和材料的可用性gydF4y2Ba

本文所有数据均来自GEO和NIH IMMPOR等公共数据集。gydF4y2Ba

缩写gydF4y2Ba

HBEGF:gydF4y2Ba

肝素结合egf样生长因子gydF4y2Ba

scRNA-seq:gydF4y2Ba

单细胞RNA序列gydF4y2Ba

类风湿性关节炎:gydF4y2Ba

类风湿性关节炎gydF4y2Ba

办公自动化:gydF4y2Ba

骨关节炎gydF4y2Ba

浓缩的分析:gydF4y2Ba

基因本体充实分析gydF4y2Ba

UAMP:gydF4y2Ba

统一流形逼近与投影gydF4y2Ba

表皮生长因子:gydF4y2Ba

表皮生长因子受体gydF4y2Ba

表皮生长因子受体:gydF4y2Ba

表皮生长因子受体gydF4y2Ba

地理:gydF4y2Ba

基因表达综合gydF4y2Ba

度:gydF4y2Ba

差异表达基因gydF4y2Ba

三重DMARD治疗:gydF4y2Ba

三联抗风湿改善疾病的药物gydF4y2Ba

STA:gydF4y2Ba

K/BxN血清转移性关节炎gydF4y2Ba

MDK:gydF4y2Ba

MidkinegydF4y2Ba

CXCL12:gydF4y2Ba

C-X-C Motif Chemokine Ligand 12gydF4y2Ba

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陈纳春,住院医生。范宝英,主治医师。骨科一科主任何志勇;余新平,主任医师。王劲军,副主任医师。作者就职于中国广东省中山市中山大学附属中山市人民医院骨科一科。gydF4y2Ba

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陈N.,范B.,何Z.;gydF4y2Baet al。gydF4y2Ba整合单细胞RNA测序数据集和批量RNA测序数据集,鉴定HBEGF+成纤维细胞在类风湿关节炎缓解中的作用。gydF4y2Ba关节炎Res其他gydF4y2Ba24gydF4y2Ba215(2022)。https://doi.org/10.1186/s13075-022-02902-xgydF4y2Ba

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