项目文章|单细胞测序揭示珊瑚共生系统分子特征
发布时间：2020-11-09 10:52:51
2020年10月20日，东南大学生物科学与医学工程学院赵祥伟团队联合新格元生物科技有限公司在《Genomics》期刊发表了题为Single symbiotic cell transcriptome sequencing of coral的珊瑚共生系统的研究成果。文章采用新格元GEXSCOPE®海量单细胞转录组测序技术，首次在单细胞水平上研究了珊瑚与虫黄藻的共生关系。
研究背景
珊瑚(Coral)被称为海洋中的热带雨林，为鱼类提供栖息地，并有助于海洋生物多样性。若没有提供光合作用产物的虫黄藻(Zooxanthellae)，珊瑚无法生存，但是没有珊瑚的话，虫黄藻可以独立生存，这是一种有趣的单向共生现象。目前对于珊瑚与虫黄藻的共生分子机制知之甚少，本文借助新格元优化的解离技术实现了对珊瑚细胞的解离，利用单细胞转录组测序，基于单细胞水平上的基因表达，从而表征珊瑚共生系统。
研究思路
主要研究内容
1）珊瑚和虫黄藻基因均在共生细胞中表达
利用新格元技术成功获得9,110个单细胞，主要分为三种类型：Coral+Zoox，Coral和Zoox；其中一半以上的细胞(Coral+Zoox组，4,871个细胞)，同时检测到珊瑚和虫黄藻基因的表达，并且Coral+Zoox细胞的UMI值最高，表明每个细胞都含有两种物种的转录本，这为珊瑚和虫黄藻的共生关系提供了相关的证据。
2）共生细胞聚类
为了评估共生细胞的独特特征，进行聚类分析，共分为五个不同的细胞亚群(G1-G5)。且基因表达存在差异，共鉴定出52个差异表达基因(DEG)，在成对比较中，G2组的DEG最多。大多数基因在G1组中低表达，在G2组中高表达。这些结果表明共生细胞表现出不同的基因表达谱。
3）共生细胞共生指数
为了确定共生细胞的差异，作者提出了一种称为共生指数的指标，以指示单个细胞中两个物种的基因表达程度。作者发现，五个细胞亚群的共生指数存在差异，G2细胞亚群的共生指数最高，超过80%的细胞的共生指数超过-3.6，G1组的共生指数最低。通过计算不同组细胞中基因表达的相关系数，G2细胞亚群的相关系数具有较高的组内差异，表明该组具有较高的异质性，相反，G1组显示出较高的组内相似性。简言之，这些结果表明共生细胞中的基因表达有所不同。作者进一步分析共生指数和单个基因表达之间的关联，发现共生指数与珊瑚基因gfas1.m1.6761(ANKRD40)(r=0.76)的表达高度相关。表明参与DNA复制的ANKRD40的表达是共生指数的潜在指标。
4）共生细胞的拟时序分析
作者进一步对共生细胞进行了拟时序分析。发现共生指数高的细胞(G2组)主要在轨迹的一端，而共生指数低的细胞G1则在轨迹的整个阶段都有分布。G1细胞分散在整个轨迹上，表明G1处于初始状态，G3、G4和G5具有相似的伪时间结果。G2细胞处于拟时轨迹的一端，这种模式可能表明具有较高共生指数的细胞从具有较低共生指数的细胞发育而来。
5）共生和非共生细胞基因表达的比较
通过对共生和纯珊瑚或纯虫黄藻的基因表达情况进行对比分析，发现共生细胞中的基因表达水平高于非共生细胞。基因gfas1.m1.5324, 7220和1567在共生细胞中的表达水平高于珊瑚细胞。参与细胞存活和DNA修复的虫黄藻PRPF19在共生细胞中的表达水平高于虫黄藻细胞。另外三种虫黄藻基因ATRN， AK812_SmicGene39669(aAA-ATPase)和AK812-SmicGene44833在共生细胞中以低水平表达。这些结果表明某些虫黄藻基因在珊瑚细胞中表现出表达水平的变化。
研究结论
文章利用单细胞转录组测序技术成功获得9,110个珊瑚细胞，鉴定了4,871个共生细胞。通过对细胞进行聚类将共生细胞分为五类，并提出“共生指数”来表征共生细胞之间的共生程度。通过差异基因分析，确定了对共生至关重要的基因。总体来说，这项工作为研究珊瑚和虫黄藻共生体提供了新的认识。
参考文献
Li M, Liu H, Guo Y, Chen F, Zi X, Fan R, Li H, Cai Y, He C, Lu Z, Zhao X. Single symbiotic cell transcriptome sequencing of coral. Genomics. 2020 Oct 20:S0888-7543(20)31978-9. doi: 10.1016/j.ygeno.2020.10.019.
