非人靈長類動物（non-human primate）在遺傳、器官結構、生理功能、病理反應和生化代謝等諸多方面表現出與人類相似的特征，是生物醫學研究和藥物研發的理想動物模型，具有重要的研究價值。其中，食蟹猴作為生物醫學研究中常用的一種非人靈長類動物模型，廣泛用于包括當下新冠疫情在内的臨床前藥理、毒理研究中。因此，系統評估食蟹猴等非人靈長類動物模型與人類的細胞組成差異、器官異質性和基因表達時空特異性，将為深入理解與人類生命活動相關的生理功能、藥物反應、疾病防治等提供重要理論依據。
細胞内部的基因表達模式受到嚴格的時空調控。因此，同時繪制同一個器官的單細胞轉錄組和單細胞表觀調控組圖譜将為器官結構和功能認識、人類疾病機制探究和臨床前藥物研發提供更加全面的信息。伟徳国际官网登录入口陳迪俊/孫洋團隊聯合浙江大學醫學院附屬兒童醫院謝诒誠團隊對食蟹猴的16個器官（心、肝、脾、肺、腎、胃、結腸、肌肉、氣管、主動脈、脂肪、膀胱、舌頭、乳腺、子宮和睾丸）的數據進行了單細胞轉錄組測序（scRNA-seq）和單細胞染色質開放性測序（scATAC-seq），以構建食蟹猴多器官的單細胞多組學參考圖譜，将約25萬個細胞進行無監督聚類分析得到40餘種不同的細胞亞群，涉及17種不同的主要細胞類型。
1：食蟹猴多器官單細胞多組學參考圖譜構建與分析（a）實驗設計；（b-c）細胞類型鑒定；（d-e）兩種組學數據的整合與一緻性分析。
基于該單細胞圖譜，研究者鑒定了新的細胞類型，挖掘了不同器官中基因表達的關鍵調控因子，分析了不同細胞分化和互作規律。例如，纖毛細胞存在于食蟹猴的各種器官中，不同的纖毛細胞亞群特征基因富集了與代謝過程、信号轉導和細胞對刺激的反應相關的各種功能。結合表達譜和染色質開放性數據，研究者還分析預測了控制不同細胞類型基因表達模式的關鍵調控子。例如，SPIB、POU2F2、SPI1、CEBPD和IRF4是髓系細胞中的關鍵調控子；而FEV具有調節造血幹細胞的潛能，該轉錄因子廣泛參與對免疫細胞和上皮細胞的基因表達調控。
最後，研究者還進行了跨物種比較分析，通過整合分析器官匹配的單細胞轉錄組數據，探讨了人、食蟹猴和小鼠三個物種之間的細胞組成和基因表達特異性。研究發現食蟹猴和人都具有豐富的免疫細胞和上皮細胞類型，并且在對應的器官中具有極高的細胞組成和細胞互作相似性，以及基因表達模式相關性。這些結果提示食蟹猴是研究複雜疾病的理想模型，相關結果可為科學家選擇合适的動物模型提供指導依據。
2：多物種單細胞圖譜比較分析（a）用于比較分析的物種和器官；（b-c）多物種單細胞轉錄組整合分析；（d）細胞組成比較；（e-f）細胞類型特異的基因表達模式比較分析。
2022年7月13日，伟徳国际官网登录入口陳迪俊/孫洋團隊聯合浙江大學醫學院附屬兒童醫院謝诒誠團隊在Nature Communications在線發表題為A reference single-cell regulomic and transcriptomic map of cynomolgus monkeys的研究論文，該研究利用單細胞測序技術繪制了非人靈長類動物食蟹猴（Macaca fascicularis）主要器官的單細胞轉錄組和調控組參考圖譜。基于該圖譜，研究者系統比較了不同器官的細胞分化軌迹和細胞互作模式，描繪其相關分子特征；鑒定了大量的器官和細胞特異性順式調控元件，構建了器官特異性基因調控網絡；此外，通過跨物種比較分析，研究者發現食蟹猴與人類在免疫相關的基因表達模式和細胞通訊方面具有極高的相似性，為食蟹猴用于免疫相關疾病模型的研究提供了理論依據。
陳迪俊團隊還提供了一個基于scRNA-seq數據探索marker基因表達的交互式網站(https://biobigdata.nju.edu.cn/MonkeyAtlas/)。
3：食蟹猴單細胞轉錄組基因表達交互式網站截圖
後記：在該研究的修稿過程中，由深圳華大生命科學研究院劉龍奇/徐訊/侯勇團隊主導的食蟹猴全身多器官單細胞圖譜在Nature上發表（論文題目Cell transcriptomic atlas of the non-human primate Macaca fascicularis），繪制了首個非人靈長類動物全細胞圖譜，助力人類疾病研究。衆所周知，非人靈長類動物在探索人類疾病機制以及藥物臨床前研究中的重要性愈發凸顯，本研究繪制了食蟹猴多器官單細胞轉錄組和調控組參考圖譜，與華大今年4月發表的Nature食蟹猴單細胞圖譜文章形成互補，可謂姊妹篇，共同為非人靈長類動物單細胞圖譜積累基礎性數據，為人類疾病防治及創新藥物研發提供助力！
雖然這兩項研究在實驗設計上具有極高的相似性，但也有一些不同之處。例如，本研究同時涉及轉錄組和調控組學兩方面的信息，因此對同一個器官來說得到的信息更加全面；在數據樣本方面，乳腺和肌肉兩個器官樣本是本研究獨有的；在轉錄組測序方面，本研究采用的是對新鮮組織樣本的單細胞RNA測序（scRNA-seq），而華大則是對冷凍組織的單細胞核RNA測序（snRNA-seq），理論上講scRNA-seq獲取的mRNA信息更加全面。總的來說，這兩項研究工作具有很好的互補性，為廣大科研人員提供了寶貴的非人靈長類動物單細胞數據資源。
伟徳国际官网登录入口博士生瞿嬌、碩士生楊發、博士生祝濤和浙江大學醫學院附屬兒童醫院呼吸科副主任王穎碩為本文共同第一作者，伟徳国际官网登录入口陳迪俊副教授、孫洋教授和浙江大學醫學院附屬兒童醫院謝诒誠研究員為本文的共同通訊作者。伟徳国际官网登录入口徐強教授、研究生方雯、丁衍、博士後趙雪，浙江大學陳銘教授、謝強敏教授和旭燃生物齊先佳對該研究亦有貢獻。
原文鍊接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31770-x