生殖系统的结构、功能与相关疾病 | 时空简讯32期
时空简讯第32期。
生殖系统在物种生存中起重要作用，生殖健康更是关乎着个体的全身心健康。但因为不良因素（如生活习惯、环境污染等）的影响，生殖系统发生癌症或其他疾病的概率也很高。比如，女性生殖系统中最常见的疾病有阴道/宫颈炎、卵巢癌、宫颈癌，而前列腺癌则是男性生殖系统中最常见的肿瘤疾病。生殖健康问题也是当下研究的热点之一，在此，本期遴选了有关女性、男性生殖系统结构、功能和相关疾病的10篇文章，供了解参考。
结构与功能
Structure and Function
食蟹猴卵巢衰老的单细胞转录组图谱
Cell [IF: 38.637]
① 利用改良的单细胞标记逆转录（single-cell tagged reverse transcription，STRT）测序方法对4只年幼（4~5岁）和4只年老（18~20岁）的食蟹猴的2,601个卵巢细胞（418个卵母细胞和2,183个体细胞）进行scRNA-seq分析，首次绘制了食蟹猴卵巢的单细胞衰老图谱；同时利用人类卵巢细胞研究体系，发现年龄增长伴随的抗氧化能力下降是灵长类卵巢衰老的主要特征之一。
② 鉴定了7种不同的卵巢细胞类型：卵母细胞、颗粒细胞、基质细胞、平滑肌细胞、内皮细胞、自然杀伤T细胞和巨噬细胞，并描述了每种细胞类型的基因表达特征；识别出4个卵母细胞亚群，揭示了卵泡发生的基因表达程序和阶段特异性转录调控网络。
③ 衰老导致卵巢中细胞类型特异性的氧化还原调控网络失衡，颗粒细胞的氧化损伤增加，伴随着促凋亡基因表达上调、氧化还原酶相关基因表达下调；IDH1和PRDX4等氧化还原调控基因是颗粒细胞衰老的新型分子标志物。（Eric_HU）
研究技术路线
Single-cell transcriptomic atlas of primate ovarian aging.
2020.01.30, DOI: 10.1016/j.cell.2020.01.009
研究文章；生命发育；食蟹猴，卵巢，衰老，抗氧化基因，颗粒细胞，卵母细胞，scRNA-seq; Si Wang, Yuxuan Zheng, Jingyi Li, Yang Yu, Weiqi Zhang, Juan Carlos Izpisua Belmonte, Jing Qu, Fuchou Tang, Guang-Hui Liu; 中国科学院动物学研究所，北京大学，中国科学院生物物理研究所，首都医科大学宣武医院国家老年疾病临床研究中心，北京大学第三医院；中国
月经周期中人类子宫内膜的单细胞转录组图谱
Nature Medicine [IF: 36.130]
① 收集19名健康卵子供者在月经出血发作后4~27 d的子宫内膜活检样本，利用scRNA-seq进行分析，鉴别出人类子宫内膜由整个月经周期中的7种细胞类型组成，并构建了整个人类月经周期中子宫内膜转化的轨迹。
② 鉴定了在整个月经周期中组成人类子宫内膜的7个主要细胞类型：间质成纤维细胞、内皮细胞、巨噬细胞、淋巴细胞、平滑肌细胞、无纤毛上皮细胞、纤毛上皮细胞；对代表子宫内膜转化的两种主要细胞类型（间质成纤维细胞和纤毛上皮细胞）的全基因转录组数据进行分析，揭示了子宫内膜转化的四个主要阶段：月经及增生早期、增生后期、分泌早期、分泌中后期。
③ “着床窗口”（the window of implantation，WOI）在非纤毛上皮细胞中以突然、不连续的转录组激活而打开，并伴随着间质纤维细胞中广泛的蜕膜化（decidualization）特征。
④ 人类自然月经周期的脱模化表现为淋巴细胞和间质成纤维细胞之间的直接相互作用。（Lina）
人类月经周期中子宫内膜转化的时间转录组动力学
Single-cell transcriptomic atlas of the human endometrium during the menstrual cycle.
2020.09.14, DOI: 10.1038/s41591-020-1040-z
研究文章；生命结构；人，子宫，子宫内膜，月经周期，转化轨迹，scRNA-seq; Wanxin Wang , Felipe Vilella, Carlos Simon, Stephen R. Quake; Stanford University, INCLIVA Health Research Institute, University of Valencia; USA, Spain.
scRNA-seq技术在远端前列腺内陷尖端发现了一种独特的管腔内祖细胞类型
Nature Genetics[IF: 27.603]
① 通过scRNA-seq分析35,129个成年小鼠前列腺细胞和11,374个人类前列腺细胞，构建了一个全面的小鼠和人类前列腺细胞图谱，提供了对前列腺谱系层次的新见解，并确定了Dist-Luminal-C细胞为内陷尖端的管腔祖细胞群，且是前列腺癌的潜在细胞来源之一。
② scRNA-seq分析基本定义了小鼠前列腺细胞总数，并确定了3种定义的管腔内细胞类型，包括与组织发育相关（表达Tacstd2、Ck4和Psca）的独特的Luminal-C细胞群。
③ 位于前列腺远端内陷尖端的Dist-Luminal-C细胞在体外表现出更大的类器官形成能力和体内前列腺上皮管再生能力；对Luminal-C细胞的谱系追踪表明，Dist-Luminal-C细胞通过自我更新和分化重组了远端前列腺管腔谱系；Dist-Luminal-C细胞中Pten的缺失会导致前列腺上皮内瘤变。
④ 进一步用scRNA-seq和免疫荧光染色鉴定人类前列腺细胞，证实了h-Luminal-C细胞的存在，并提示h-Luminal-C细胞可能是人类前列腺癌的起源细胞。（Lina）
Dist-Luminal-C细胞的自我更新及其作为前列腺癌起始细胞作用的示意图
Single-cell transcriptomics identifies a distinct luminal progenitor cell type in distal prostate invagination tips.
2020.08.17, DOI: 10.1038/s41588-020-0642-1
研究文章；生命结构；小鼠，人，前列腺，前列腺癌，管腔内祖细胞，Luminal-C, scRNA-seq; Wangxin Guo, Lin L, Yu Chen, Luonan Chen, Dong Gao; 中国科学院分子细胞科学卓越中心，中国科学院大学，Memorial Sloan-Kettering Cancer Center, Weill Cornell Medical College and New York-Presbyterian Hospital; 中国, USA.
空间转录组技术解析人和小鼠的精子发生
Cell Reports [IF: 9.423]
① 应用Slide-seq技术（分辨率10 μm）绘制小鼠和人睾丸中精子发生的空间转录图谱，通过精确定位睾丸细胞类型和重建组织结构再现了精子发生，揭示了睾丸微环境的空间组织及其在糖尿病条件下的变化。
② 利用该空间图谱，发现小鼠的空间模式（spatially patterned，SP）基因富集在与染色质重塑有关的通路中，而人的SP基因在RNA加工、调节精子细胞发育和分化通路中富集；在这些SP基因中，Habp4（透明质酸结合蛋白4）是生殖细胞发育过程中染色质重塑的潜在调节因子，且HABP4在人类睾丸中可能与DNA链断裂形成或修复有关。
③ 通过鉴定阶段依赖的基因表达程序，证明了精细胞上皮细胞的周期如何影响睾丸间质细胞和巨噬细胞的分子组成，并成功地区分了睾丸巨噬细胞的两个谱系（1个位于间质空间，1个位于管周空间）。
④ 使用原位RNA测序对精原细胞微环境进行空间分析，发现小鼠和人类精原细胞微环境的空间结构存在显著差异，表明两种物种在精子发生早期阶段的调控机制存在差异。
⑤ 比较分析瘦素缺陷型糖尿病小鼠（ob/ob）和野生型小鼠的空间图谱，发现曲细精管空间结构的破坏是糖尿病诱导睾丸损伤的潜在机制。（张银/Lina）
研究技术路线
Identification of genomic enhancers through spatial integration of single-cell transcriptomics and epigenomics
2020.05.01, DOI: 10.15252/msb.20209438
研究文章；生命结构；果蝇，眼睛，触角盘，增强子，基因调控，scRNA-seq, scATAC-seq, 空间整合；Carmen Bravo González-Blas, Stein Aerts; VIB Center for Brain & Disease Research, KU Leuven; Belgium.
相关疾病
Related Diseases
基于水凝胶合成的前列腺癌细胞外基质类器官调控对EZH2和DRD2抑制剂的治疗反应
Advanced Materials [IF: 30.849]
① 对111例患者进行了转录组学分析，并结合蛋白质组学、空间组学、免疫组织化学和基于水凝胶的人工合成类器官，确定了调节神经内分泌前列腺癌（neuroendocrine prostate cancer，CRPC-NEPC）表型、转录组和表观遗传基础的细胞外基质（extracellular matrix，ECM）线索。
② 根据这些发现，开发了一种合成聚合物的马来酰亚胺功能化聚（乙二醇）（PEG-4MAL）水凝胶平台，在定义的ECM微环境下培养去势抵抗性前列腺癌腺癌（castration-resistant prostate cancer adenocarcinoma，CRPC-Adeno）和CRPC-NEPC患者的肿瘤细胞，发现仿生合成ECM可差异调节CRPC-NEPCs肿瘤中的DNA甲基化和动员基因（mobilized genes）。
③ ECM类型明显调控表观遗传抑制因子EZH2和多巴胺受体D2（dopamine receptor D2,DRD2）对小分子抑制剂的反应，后者是神经内分泌肿瘤中研究不足的靶点。
④ 在耐药ECM条件下，CRPC-NEPCs的治疗反应可以通过EZH2抑制剂的细胞重编程和DRD2治疗来克服；合成的水凝胶类器官提示，ECM可能在CRPC-NEPCs靶向治疗应答中发挥调控作用,有助于发现克服耐药的单药和联合治疗。（王靓）
注：经雄激素受体（androgen receptor，AR）通路抑制剂治疗后，20%的前列腺癌患者通过消除AR依赖性而进展。这些肿瘤经历表观遗传重编程，将CRPC-Adeno转变为CRPC-NEPC。
基于PEG-4MAL的合成水凝胶培养前列腺癌类器官的处理
Extracellular matrix in synthetic hydrogel-based prostate cancer organoids regulate therapeutic response to EZH2 and DRD2.
2021.11.14, DOI: 10.1002/adma.202100096
研究文章；生殖系统疾病，癌症；人，小鼠，前列腺，前列腺癌，类器官，蛋白质组学，空间转录组；Matthew J. Mosquera, Olivier Elemento,Ankur Singh; Cornell University, Englander Institute for Precision Medicine Weill Cornell Medicine-New York-Presbyterian Hospital, Georgia Institute of Technology, Emory University School of Medicine; USA.
子宫内膜异位症的单细胞分析揭示一个协调的转录程序，驱动在位和异位组织中的免疫耐受和血管生成
Nature Cell Biology [IF: 28.213]
① 以单细胞转录组分辨率表征了腹膜和卵巢病变，并与匹配的异位子宫内膜、对照（正常）子宫内膜和源自这些组织的类器官进行比较，生成了12个个体超过100,000个细胞的数据，提供了子宫内膜异位症的第一个综合细胞图谱，并突出了一种新的子宫内膜异位症特异性血管周细胞群和一种未报道的祖细胞样上皮细胞群，这可能有助于更深入地了解该疾病。
② 使用质谱流式细胞术对许多细胞类型进行空间定位，发现一种子宫内膜异位症特异性血管周亚群细胞，并强调血管周细胞（perivascular cells，Prv）-CCL19和毛细血管后静脉（post-capillary venous，PCV）内皮亚群的动态协调，以促进腹膜子宫内膜异位症病变中的血管生成和免疫细胞运输。
③ 确定了多个巨噬细胞亚群中与子宫内膜异位症相关的变化，促进了耐受性、促血管生成和促神经源性微环境。此外，在子宫内膜异位症异位子宫内膜中也观察到病变的巨噬细胞景观改变，影响组织驻留和血液浸润的巨噬细胞。
④ 揭示了来自腹膜病变周围的特异性树突状细胞的异质性，并突出了MSR1+ cDC2s在腹膜微环境中潜在的免疫调节作用；淋巴细胞亚群分析揭示了子宫内膜异位症病变中共存的免疫细胞的多样性，其中先天免疫系统积极促进免疫耐受。
⑤ 正常和异位子宫内膜中存在上皮细胞异质性，揭示了一个所有组织共有的（亦存在于类器官培养物中）未表征过的子宫内膜祖细胞样细胞群。（Lina）
Single-cell analysis of endometriosis reveals a coordinated transcriptional programme driving immunotolerance and angiogenesis across eutopic and ectopic tissues.
2022.07.21, DOI: 10.1038/s41556-022-00961-5
研究文章；生殖系统疾病；人，子宫，卵巢，腹膜，类器官，子宫内膜异位症，scRNA-seq; Yuliana Tan, Paul Robson, Danielle E. Luciano, Elise T. Courtois; The Jackson Laboratory for Genomic Medicine, University of Connecticut School of Medicine, University of Connecticut; USA.
snRNA-seq和Stereo-seq联合分析揭示宫颈鳞状细胞癌的免疫微环境
Advanced Science [IF: 17.521]
① 采用snRNA-seq对5名宫颈鳞状细胞癌（cervical squamous cell carcinoma，CSCC）患者的67,003个宫颈组织细胞进行分析，并利用华大自主研发的Stereo-seq（SpaTial Enhanced REsolution Omics-Sequencing）技术分析2名非癌症患者和4名CSCC患者的宫颈样本，揭示了CSCC组织的结构和免疫细胞组成，绘制了CSCC的空间免疫细胞图谱，增强了对CSCC免疫微环境的认识，并为晚期CSCC的治疗提供了思路。
② 在snRNA-seq和Stereo-seq数据中评估了具有不同免疫功能的3个基因组的表达谱，即共刺激、细胞毒性/效应和共抑制/耗竭，发现除LGALS9和IDO1外，CSCC的肿瘤区和炎症区大多数免疫抑制基因的表达水平均不明显高于非癌症样本。
③ CD56+ NK细胞和未成熟树突状细胞在高代谢肿瘤区域显示出比低代谢肿瘤区域更强的信号，表明高代谢肿瘤可能更容易与先天免疫反应相关；低代谢肿瘤区嗜酸性粒细胞、未成熟B细胞和Treg细胞较多，提示适应性免疫反应无效。
④ 进一步分析snRNA-seq中的成纤维细胞，发现了一组与致瘤性癌相关的肌成纤维细胞（myofifibroblasts，myCAFs），其是CSCC肿瘤微环境的重要组成部分，可能通过抑制淋巴细胞的浸润和肿瘤细胞外基质的重塑来支持肿瘤的生长和转移。（Max）
snRNA-seq和Stereo-seq实验流程图
Single-nucleus RNA sequencing and spatial transcriptomics reveal the immunological microenvironment of cervical squamous cell carcinoma.
2022.08.19, DOI: 10.1002/advs.202203040
研究文章；生殖系统疾病，癌症；人，宫颈，宫颈癌，免疫微环境，snRNA-Seq, Stereo-seq; Zhihua Ou, Shitong Lin, Jiaying Qiu, Wencheng Ding, Peidi Ren；深圳华大生命科学研究院，华中科技大学，同济医院；中国
重度阴道前壁脱垂女性的阴道壁细胞图谱揭示其特征及发病机制
Nature Communications[IF: 14.919]
① 使用scRNA-seq分析从16例阴道前壁脱垂（anterior vaginal prolapse，AVP）患者的脱垂阴道前壁和5例子宫切除组的正常阴道前壁中分离的阴道壁细胞，共获得81,026个单细胞转录组（65,434个细胞来自脱垂的阴道壁，15,592个细胞来自正常的阴道壁），揭示了AVP中不同细胞类型的异常基因表达，发现了调控阴道壁脱垂的关键基因、转录因子和细胞间相互作用的关系，明确了细胞外基质（extracellular matrix，ECM）调控异常和免疫紊乱在脱垂中的重要作用。
② 根据细胞特异的标志物，在阴道壁中鉴别出11种主要细胞类型，包括6种非免疫细胞和5种免疫细胞；对比bulk RNA-seq和scRNA-seq数据，发现盆腔器官脱垂（pelvic organ prolapse，POP）中不同细胞类型的异常表达基因，揭示了成纤维细胞和巨噬细胞在ECM失调和免疫紊乱中可能发挥重要作用。
③ 分析正常组AVP组中转录因子的差异，鉴定出了尚未报道过的参与POP发生的转录因子，如HOXD11、CREB3L1、IRF4、IRF8；免疫调节相关的转录因子在成纤维细胞和平滑肌细胞中广泛上调，这可能意味着脱垂时成纤维细胞和平滑肌细胞对免疫反应的协同作用。
④ 在POP过程中出现异常的细胞-细胞通信模式，特别是成纤维细胞、平滑肌细胞和巨噬细胞，其相互作用主要与ECM重构和免疫调节有关。（Lina）
研究设计流程示意图
Single-cell transcriptome profiling of the vaginal wall in women with severe anterior vaginal prolapse.
2021.01.04, DOI: 10.1038/s41467-020-20358-y
研究文章；生殖系统疾病；人，阴道前壁，阴道前壁脱垂，细胞类型，基因表达，scRNA-seq; Yaqian Li, Qing-Yang Zhang, Bao-Fa Sun, Yun-Gui Yang, Lan Zhu; 中国医学科学院，北京协和医学院，北京协和医院，中国科学院北京基因组研究所，中国科学院大学，中国国家生物信息中心；中国
scRNA-seq揭示人类高级别浆液性卵巢癌的组织结构
Clinical Cancer Research[IF: 13.801]
① 采用深度scRNA-seq分析7例早期或晚期高级别浆液性卵巢癌（high-grade serous ovarian cancer，HGSOC）患者和5例年龄匹配的非恶性卵巢样本，详细描述了原发性临床早期和晚期HGSOC肿瘤的全面单细胞转录组景观，揭示了HGSOC肿瘤微环境在不同肿瘤阶段的复杂性，这有助于开发新的HGSOC临床治疗策略。
② 应用scRNA-seq对从HGSOC和非恶性卵巢组织中获得的59,324个单细胞进行分析，描述了肿瘤细胞不同肿瘤阶段的上皮细胞发育层次，确定了上皮细胞-间充质细胞转化（epithelial-to-mesenchymal transition，EMT）相关的基因特征。
③ 表达α-SMA、波形蛋白、COL3A、COL10A和MMP11的基质癌相关成纤维细胞（matrix cancer associated fifibroblasts，mCAF）是HGSOC肿瘤中主要的CAFs，可在共培养系统中诱导卵巢癌细胞的EMT特性。
④ 特异性免疫细胞亚群，如C7-APOBEC3A M1巨噬细胞、CD8+ TRM/TEX细胞主要在早期肿瘤中表达；免疫共抑制受体TIGIT在CD8+ TEX细胞中高表达，TIGIT阻断可显著抑制卵巢癌小鼠的肿瘤生长。（Lina）
HGSOC肿瘤和非恶性卵巢组织样本的scRNA-seq试验流程
Single-cell RNA sequencing reveals the tissue architecture in human high-grade serous ovarian cancer.
2022.08.15, DOI: 10.1158/1078-0432.CCR-22-0296
研究文章；生殖系统疾病，癌症；人，卵巢，高级别浆液性卵巢癌，肿瘤微环境，皮细胞-间充质细胞转化；Junfen Xu, Yuanming Shen, Weiguo Lu; 浙江大学；中国
时空技术
Spatial-Temporal Technology
基于在前列腺活检中预训练的神经网络提出用于关联组织形态学特征和时空转录组基因表达特征的新方法
Cancers [IF: 6.639]
① 利用Ström等人（2020）开发的卷积神经网络，设计了一种深度形态特征提取的工作流，并对7张前列腺癌H&E组织切片进行扫描分析，将形态学描述符映射到原始组织位置上，将组织异质性可视化。
② 将AI自动获得的组织形态簇和无监督聚类获得的聚类图与2位组织病理学家手工注释的图谱相比较，发现其在视觉效果上具有一致性，仅在极小的区域上存在细微的差异，证实了了该方法的可行性。
③ 通过空间转录组技术获得不同组织区域的基因表达特征，通过比对发现自动获得的组织形态簇上不同的子簇对应了不同的基因表达，并在进行逆向分析时进一步发现形成某个因子的单个基因的表达与形成遗传相关簇的形态特征密切相关，表明神经网络可以检测到对人眼不明显的重复形态学模式。
④ 利用在前列腺活检中预训练的网络和在ImageNet数据集中预训练的网络分别进行特征提取，对比结果发现，两者提取的组织形态簇在视觉上存在相似的区域，后者的生物相关性更低，不如前者具体和精确。（杰）
深度形态学特征提取的工作流程图
Morphological features extracted by AI associated with spatial transcriptomics in prostate cancer.
2021.09.28, DOI: 10.3390/canvcers13194837
Ström P, Kartasalo K, Olsson H, et al. Artifificial intelligence for diagnosis and grading of prostate cancer in biopsies: A population-based, diagnostic study[J]. Lancet Oncol, 2020, 21: 222–232.（关联文章）
研究文章；时空技术，癌症；人，前列腺，前列腺癌，形态学特征，基因表达，卷积神经网络，深度学习，空间转录组；Eduard Chelebian, Carolina Wählby, Uppsala University; Sweden.
系列导读
● Cell Reports | 空间转录组解析哺乳动物精子发生
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