SPRR1B+角质形成细胞通过STAT3激活为口腔黏膜快速伤口愈合做好准备

SPRR1B+ keratinocytes prime oral mucosa for rapid wound healing via STAT3 activation.

作者信息Xinyang Xuanyuan, Li Zhang, Yang Zheng, Ruixin Jiang, Yanni Ma, Ruixin Liu, Pengcong Hou, Ming Lei, Hui Xu, Hanlin Zeng
PMID39300285
发布时间2024-09-16
DOI10.1038/s42003-024-06864-5

实验完整度

包含bulk RNA-seq与scRNA-seq整合分析、体内小鼠伤口模型、免疫荧光验证、ChIP-PCR和Western blot验证STAT3调控SPRR1B、细胞迁移功能实验。

主要模型

人类口腔黏膜与皮肤组织样本(scRNA-seq及免疫荧光) 小鼠舌部与背部皮肤伤口模型 HOK细胞系 HaCaT细胞系

重点核对

口腔黏膜与皮肤scRNA-seq数据集:GSE164241(21例口腔黏膜样本)、PRJCA006797(5例皮肤样本) 小鼠伤口模型:C57BL/6J小鼠,6-8周龄,雄性,共18只,每组3只 STAT3结合SPRR1B启动子:ChIP-PCR验证0-500bp上游区域 JAK1/2抑制剂ruxolitinib处理HOK细胞,检测STAT3和SPRR1B蛋白水平 SPRR1B敲低/过表达:HOK细胞shRNA敲低(sh#1、sh#2、sh#3),HaCaT细胞过表达

摘要

与皮肤伤口相比,口腔黏膜伤口表现出加速愈合且疤痕减少,代表了最佳伤口愈合范式。然而,协调黏膜组织高效愈合的特定细胞亚型仍然难以捉摸。通过整合分析口腔黏膜和皮肤伤口愈合过程中的bulk-mRNA和单细胞测序数据,我们描绘了一组在组织修复过程中显著上调的独特基因。这一伤口愈合相关基因集在特定的角质形成细胞亚群中高度富集,该亚群被鉴定为STAT3激活的SPRR1B+角质形成细胞。值得注意的是,尽管口腔黏膜愈合固有地迅速,但在小鼠模型中,SPRR1B+角质形成细胞的诱导在皮肤和黏膜伤口愈合过程中均明显可见。有趣的是,这些通过STAT3激活诱导的促进伤口愈合的SPRR1B+角质形成细胞,在未受伤的正常黏膜中天然丰富,但在正常皮肤中不存在。SPRR1B敲低显著抑制黏膜角质形成细胞的迁移,这是有效伤口愈合的关键属性。总之,通过单细胞分辨率分析人类口腔和皮肤伤口愈合过程,并结合小鼠模型验证,提示STAT3激活的SPRR1B+角质形成细胞与黏膜快速修复过程相关。这一发现强调了SPRR1B+角质形成细胞在慢性或难愈合伤口治疗管理中的潜在应用。

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
哪些细胞亚型及其调控机制决定了口腔黏膜较皮肤更快的伤口愈合?
核心机制
STAT3激活诱导SPRR1B+角质形成细胞(KC4)的产生,SPRR1B增强角质形成细胞迁移能力,从而促进伤口愈合。
主要证据
scRNA-seq分析显示SPRR1B+ KC4在正常口腔黏膜富集且高表达P2伤口愈合基因集;ChIP-PCR和JAK抑制剂实验证实STAT3调控SPRR1B;体外迁移实验显示SPRR1B敲低抑制HOK细胞迁移,过表达增强HaCaT细胞迁移;小鼠伤口模型证实SPRR1B在皮肤和口腔伤口愈合中表达上调。
研究意义
SPRR1B+角质形成细胞可能作为治疗慢性或难愈合伤口的潜在策略。

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

鉴定共享伤口愈合相关基因集

分析人类口腔和皮肤伤口愈合过程中共同上调的基因表达程序

使用公开bulk RNA-seq数据(GSE97615),比较人类口腔和皮肤受伤和未受伤部位的基因表达差异,筛选差异表达基因(DEGs)并聚类为P1和P2基因模块。

2

单细胞转录组分析

鉴定表达P2伤口愈合基因集的特定细胞类型和角质形成细胞亚群

整合口腔黏膜(GSE164241:13牙龈和8颊部)和皮肤(PRJCA006797:5个正常皮肤)scRNA-seq数据,进行质量控制、聚类分析,识别9种细胞类型,并对角质形成细胞进行亚聚类。

3

细胞轨迹和功能特征分析

解析角质形成细胞分化轨迹及SPRR1B+ KC4的分子特征

通过Monocle2进行拟时分析,确定分化轨迹;对KC4亚群进行GO富集分析、基因得分分析;并通过免疫荧光染色验证KRT14、KRT10和SPRR1B在口腔黏膜和皮肤中的表达差异。

4

转录因子调控分析

鉴定调控SPRR1B及其他P2基因集的转录因子

使用SCENIC分析推断转录因子活性,STRING和Cytoscape构建PPI网络,鉴定STAT3为枢纽转录因子;通过ChIP-seq和ChIP-PCR验证STAT3结合于SPRR1B启动子区域,并使用JAK1/2抑制剂ruxolitinib处理HOK细胞检测STAT3和SPRR1B表达。

5

体内伤口愈合模型验证

验证SPRR1B+角质形成细胞在小鼠皮肤和口腔黏膜伤口愈合中的表达

建立小鼠背部皮肤和舌部全层切口伤口模型,在未受伤、伤后第2天和第4天取材,进行免疫荧光染色检测SPRR1B表达。

6

SPRR1B功能验证

验证SPRR1B对口腔角质形成细胞迁移能力的影响

在HOK细胞中利用慢病毒转染shRNA敲低SPRR1B,在HaCaT细胞中过表达SPRR1B,通过划痕实验(wound healing assay)检测细胞迁移,使用Livecyte系统自动记录和分析。

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
高糖DMEM培养基Gibco--
胎牛血清GibcoA5669701
青霉素/链霉素PricellaPB180120
口腔角质形成细胞培养基ScienCell2611
口腔角质形成细胞生长添加物ScienCell2652
抗生素溶液ScienCell0503
Lipofectamine™3000转染试剂Thermo Fisher ScientificL3000015
聚凝胺Yeasen Biotechnology40804ES86
嘌呤霉素----
SimpleChIP酶法染色质免疫沉淀试剂盒----
p-STAT3抗体CST9145
对照IgGCST2729
Livecyte细胞分析系统Phasefocus--
三溴乙醇Sigma AldrichT48402-25G
手术刀片LianHui20010243
BCA蛋白测定试剂盒BeyotimeP0009
JAK1抗体CST3344
磷酸化JAK1抗体CST3331
STAT3抗体HUABIOET1607-38
SPRR1B抗体Thermo Fisher ScientificPA5-107277
GAPDH抗体Abcamab263962
OCT包埋剂SAKURA4583
甘氨酸Adamas-beta56-40-6
封闭液(牛血清白蛋白)Meilunbio9048-46-8
KRT14抗体Abcamabcam7800
KRT10抗体Abcamabcam76318
SPRR1B抗体Thermo FisherPA5-107277
Alexa Fluor 488二抗Thermo FisherA-11001
Alexa Fluor 568二抗Thermo FisherA11011
蔡司880共聚焦显微镜ZEISSLSM880

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
scRNA-seq数据分析
样本来源(口腔黏膜:13牙龈、8颊部;皮肤:5个正常皮肤);质量控制参数(nCount_RNA范围、nFeature_RNA范围、线粒体基因百分比);聚类参数(维度、分辨率)
阅读提示:Methods: Integration and analysis of scRNA-Seq data
细胞培养
细胞系(HOK、HaCaT)来源;培养基成分(DMEM、OKM);培养条件(37°C、5% CO2)
阅读提示:Methods: Cell culture
SPRR1B敲低/过表达
shRNA序列(sh#1, sh#2, sh#3);慢病毒包装比例(10µg:7.5µg:3µg);感染条件(polybrene 5µg/ml,puromycin 10µg/ml)
阅读提示:Methods: Short hairpin RNA (shRNA) infection assay
ChIP实验
细胞数量(5×10^6 HOK细胞);抗体(p-STAT3 #9145,IgG #2729);交联条件(1%甲醛,15分钟,37°C)
阅读提示:Methods: Chromatin immunoprecipitation
体内伤口模型
小鼠品系、性别、周龄(C57BL/6J,雄性,6-8周);分组和样本量(每组3只,共18只);伤口参数(深度1mm,长度5mm);观察时间点(未受伤、第2天、第4天)
阅读提示:Methods: Mouse model of wound healing
迁移实验
划痕工具(200µl枪头);记录间隔(3小时);分析系统(Livecyte)
阅读提示:Methods: Migration assay