全面的单细胞转录组分析定义了肾纤维化过程中共享和独特的上皮损伤反应

Comprehensive single-cell transcriptional profiling defines shared and unique epithelial injury responses during kidney fibrosis

作者信息Haikuo Li, Eryn E Dixon, Haojia Wu, Benjamin D Humphreys
PMID36265491
发布时间2022-12-06
DOI10.1016/j.cmet.2022.09.026

实验完整度

高

包含体外细胞实验、体内小鼠模型、脂质组学、RNA-seq及多重验证(免疫荧光、qPCR等),并进行功能验证(PLIN2敲低)。

主要模型

小鼠单侧缺血再灌注损伤模型 小鼠单侧输尿管梗阻模型 原代人肾近端小管上皮细胞 HEK-293T和C3H/10T1/2细胞(用于种属混合对照)

重点核对

小鼠模型:8-9周龄雄性C57BL/6J小鼠,uni-IRI夹闭肾蒂22分钟,UUO结扎左侧输尿管 时间点:uni-IRI 0、6小时、2、7、14、28天;UUO 0、2、4、6、10、14天 细胞处理:RPTECs用100 μM BSA偶联的油酸或棕榈酸处理6小时 PLIN2敲低:siRNA转染(10 nM),1-2天后进行后续处理 代谢测量:Seahorse XFe96分析仪,测量OCR和ECAR

摘要

The underlying cellular events driving kidney fibrogenesis and metabolic dysfunction are incompletely understood. Here, we employed single-cell combinatorial indexing RNA sequencing to analyze 24 mouse kidneys from two fibrosis models. We profiled 309,666 cells in one experiment, representing 50 cell types/states encompassing epithelial, endothelial, immune, and stromal populations. Single-cell analysis identified diverse injury states of the proximal tubule, including two distinct early-phase populations with dysregulated lipid and amino acid metabolism, respectively. Lipid metabolism was defective in the chronic phase but was transiently activated in the very early stages of ischemia-induced injury, where we discovered increased lipid deposition and increased fatty acid β-oxidation. Perilipin 2 was identified as a surface marker of intracellular lipid droplets, and its knockdown in vitro disrupted cell energy state maintenance during lipid accumulation. Surveying epithelial cells across nephron segments identified shared and unique injury responses. Stromal cells exhibited high heterogeneity and contributed to fibrogenesis by epithelial-stromal crosstalk.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
肾纤维化过程中驱动纤维化的早期细胞事件和代谢机制是什么?
核心机制
在缺血诱导的损伤早期(uni-IRI 6小时),Type1损伤近端小管细胞中脂质代谢被激活,表现为脂质沉积增加和脂肪酸β-氧化增强,PLIN2作为脂滴表面标志物并维持细胞能量状态;而UUO模型中Type2损伤细胞则以氨基酸代谢紊乱为特征。
主要证据
通过sci-RNA-seq3分析24个小鼠肾脏共309,666个细胞,鉴定出50种细胞类型/状态;结合脂质组学、油红O染色、BODIPY染色、Seahorse代谢测量及PLIN2敲低实验证实上述机制。
研究意义
该研究构建了肾纤维化的单细胞图谱,揭示了早期上皮损伤的独特细胞状态和代谢机制,为理解CKD病理生理和发现新治疗靶点提供了资源。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

小鼠肾纤维化模型建立与验证

建立两种肾纤维化模型并验证损伤和纤维化诱导成功

对8-9周龄雄性C57BL/6J小鼠进行uni-IRI或UUO手术,在不同时间点收集肾脏样本,通过免疫荧光检测HAVCR1和COL1,并通过qPCR验证损伤和纤维化标志物。

2

scRNA-seq文库构建与测序

利用sci-RNA-seq3技术同时分析多个样本,获得高分辨率的单细胞转录组图谱

从24个小鼠肾组织和混合细胞系中提取细胞核,固定后进行sci-RNA-seq3文库构建,测序后进行数据预处理和质量控制。

3

单细胞数据分析与细胞类型注释

鉴定肾纤维化过程中的细胞类型和状态,特别是近端小管细胞亚型

对单细胞数据进行聚类和注释,识别出19个主要细胞类型和50个细胞亚型,并针对近端小管细胞进行亚聚类分析,鉴定出多种损伤状态。

4

近端小管损伤状态的功能和机制研究

揭示Type1和Type2损伤近端小管细胞的代谢特征和命运决定机制

对比分析Type1和Type2损伤细胞的基因表达和代谢通路,结合轨迹推断和细胞命运映射,并通过体外实验验证脂质代谢的功能。

5

脂质代谢的体内和体外验证

验证早期缺血损伤中脂质沉积和脂肪酸氧化的激活及其功能

通过油红O染色、BODIPY染色和脂质组学检测肾组织中的脂质含量,并在体外用脂肪酸处理RPTECs,测量OCR和ECAR,以及进行PLIN2敲低实验。

6

氨基酸代谢分析和验证

验证Type2损伤近端小管细胞中氨基酸代谢紊乱的特征

通过免疫荧光和RNA原位杂交验证BCAT1和SLC6A6等在UUO中的表达上调,并测量肾脏皮质中支链氨基酸的浓度。

7

跨肾单位节段的上皮损伤反应比较

分析不同肾小管节段在纤维化中的共享和独特损伤反应

对髓袢、远曲小管、连接小管和集合管细胞进行亚聚类,鉴定出各自损伤状态,并比较它们的基因表达变化。

8

基质细胞异质性和细胞间相互作用分析

揭示肾纤维化中基质细胞的异质性及其与上皮细胞的通讯

对成纤维细胞和肌成纤维细胞进行亚聚类,分析其区域分布和功能差异,并使用CellPhoneDB分析细胞间配体-受体相互作用。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
微型动脉瘤夹RobozRS-5420
不可吸收丝线缝合线McKesson468782
OCT包埋剂Sakura4583
DMEM培养基Gibco11965
胎牛血清SigmaF4135
青霉素-链霉素Gibco15140122
肾上皮细胞生长培养基LonzaCC-3190
TRIzol试剂Invitrogen15596026
Direct-zol RNA小提试剂盒ZymoR2072
高容量cDNA逆转录试剂盒Life Technologies4368813
iTaq Universal SYBR Green SupermixBioRad1725125
油红O染色试剂盒Abcamab150678
BODIPY 493/503Cayman Chemical25892
DIG RNA标记混合物Roche11277073910
蛋白酶KInvitrogen25530049
BM-Purple溶液Roche11442074001
油酸Cayman Chemical29557
棕榈酸Cayman Chemical29558
AtglistatinCayman Chemical15284
BODIPY FL C16Thermo ScientificD3821
MitoTracker Red CMXRosCell Signaling9082S
Lipofectamine试剂Thermo Scientific13778150
PLIN2 Smartpool siRNADharmaconL-019204-01-0010
ON-TARGETplus非靶向对照池DharmaconD-001810-10-20
2,7-二氯二氢荧光素二乙酸酯Cayman Chemical85155
Seahorse XFe96分析仪Agilent--
XF96细胞培养微孔板Agilent102416-100
Seahorse XF DMEM测定培养基Agilent103680-100
左旋肉碱SigmaC0283
依托莫昔Cayman Chemical11969
寡霉素SigmaO4876
Lionheart FX自动显微镜Agilent--
细胞核裂解缓冲液SigmaNUC101
无EDTA蛋白酶抑制剂片剂Roche5892791001
RNasin核糖核酸酶抑制剂PromegaN2615
SUPERase•In RNA酶抑制剂Thermo ScientificAM2696
RNaseOUT RNA酶抑制剂Thermo Scientific10777019
牛血清白蛋白NEBB9000S
dNTPClontech639125
SuperScript IV逆转录酶Thermo Scientific18090050
快速连接酶NEBM2200L
第二链合成酶NEBE6111L
USER酶NEBM5505L
NEBnext 2×预混液NEBM0541L
DNA结合缓冲液ZymoD4004-1-L
Ampure XP磁珠Beckman CoulterA63881
尺寸选择磁珠ZymoD4084
Tn5转座酶----
NovaSeq 6000Illumina--
RNeasy试剂盒Qiagen74104
Omni Bead Ruptor----
Shimadzu 20AD高效液相色谱系统Shimadzu--
4000QTRAP质谱仪----
支链氨基酸比色试剂盒SigmaMAK003
大鼠抗KIM-1抗体R&D SystemsMAB1817
兔抗PLIN2抗体Abcamab108323
兔抗BCAT1抗体Proteintech13640-1-AP
兔抗PRICKLE1抗体BiCell Scientific50621
FITC标记小鼠抗ACTA2抗体SigmaF3777
FITC标记的莲藕凝集素Vector LaboratoriesFL-1321-2
生物素化的LTLVector LaboratoriesB-1325-2
兔抗oxLDL抗体Biossbs-1698R
抗DIG-AP Fab片段Roche11093274910
荧光素RNA标记混合物Roche11685619910
NBT/BCIP溶液Roche11681451001
INT/BCIP溶液Roche11681460001

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
小鼠模型
小鼠品系、性别、年龄、手术细节(夹闭时间)、镇痛、体温维持
阅读提示:STAR Methods:Experimental model and subject details
单细胞测序
细胞核提取方法、固定条件、sci-RNA-seq3流程、测序平台、数据质量控制参数
阅读提示:STAR Methods:Nuclei isolation and fixation、sci-RNA-seq3 library generation、Next-generation Sequencing
体外细胞实验
RPTECs来源、培养条件、脂肪酸处理浓度和时间、ER应激诱导剂浓度、siRNA转染浓度和时间
阅读提示:STAR Methods:Cell culture、In vitro fatty acid exposure、In vitro gene knockdown
代谢测量
细胞数、饥饿条件、脂肪酸处理时间、Seahorse校准试剂、注射药物浓度
阅读提示:STAR Methods:Metabolic measurement
脂质组学
组织处理、内标、萃取方法、质谱条件、质量控制
阅读提示:STAR Methods:Lipidomics analysis