Complex cell-to-cell communication underlies the basic processes essential for homeostasis in the given tissue architecture. Obtaining quantitative gene-expression of cells in their native context has significantly advanced through single-cell RNA sequencing technologies along with mechanical and enzymatic tissue manipulation. This approach, however, is largely reliant on the physical dissociation of individual cells from the tissue, thus, resulting in a library with unaccounted positional information. To overcome this, positional information can be obtained by integrating imaging and positional barcoding. Collectively, spatial transcriptomics strategies provide tissue architecture-dependent as well as position-dependent cellular functions. This review discusses the current technologies for spatial transcriptomics ranging from the methods combining mechanical dissociation and single-cell RNA sequencing to computational spatial re-mapping.
Alzheimer's disease (AD) related genes have been elucidated by advanced genetic techniques. Familial autosomal dominant AD genes founded by linkage analyses are APP, PSEN1, PSEN2, ABCA7, and SORL1. Genome-wide association studies have found risk genes such as ABCA7, BIN1, CASS4, CD33, CD2AP, CELF1, CLU, CR1, DSG2, EPHA1, FERMT2, HLA-DRB5-HLA-DRB1, INPP5D, MEF2C, MS4A6A/MS4A4E, NME8, PICALM, PTK2B, SLC24A4, SORL1, and ZCWPW1. ABCA7, SORL1, TREM2, and APOE are proved to have high odds ratio (>2) in risk of AD using next generation sequencing studies. Thanks to the promising genetic techniques such as CRISPR-CAS9 and single-cell RNA sequencing opened a new era in genetics. CRISPR-CAS9 can directly link genetic knowledge to future treatment. Single-cell RNA sequencing are providing useful information on cell biology and pathogenesis of diverse diseases.
Jeewan Chun;Ji-Hoi Moon;Kyu Hwan Kwack;Eun-Young Jang;Saebyeol Lee;Hak Kyun Kim;Jae-Hyung Lee
BMB Reports
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제57권5호
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pp.232-237
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2024
This study investigated how adipose tissue-derived mesenchymal stem cells (AT-MSCs) respond to chondrogenic induction using droplet-based single-cell RNA sequencing (scRNA-seq). We analyzed 37,219 high-quality transcripts from control cells and cells induced for 1 week (1W) and 2 weeks (2W). Four distinct cell clusters (0-3), undetectable by bulk analysis, exhibited varying proportions. Cluster 1 dominated in control and 1W cells, whereas clusters (3, 2, and 0) exclusively dominated in control, 1W, and 2W cells, respectively. Furthermore, heterogeneous chondrogenic markers expression within clusters emerged. Gene ontology (GO) enrichment analysis of differentially expressed genes unveiled cluster-specific variations in key biological processes (BP): (1) Cluster 1 exhibited up-regulation of GO-BP terms related to ribosome biogenesis and translational control, crucial for maintaining stem cell properties and homeostasis; (2) Additionally, cluster 1 showed up-regulation of GO-BP terms associated with mitochondrial oxidative metabolism; (3) Cluster 3 displayed up-regulation of GO-BP terms related to cell proliferation; (4) Clusters 0 and 2 demonstrated similar up-regulation of GO-BP terms linked to collagen fibril organization and supramolecular fiber organization. However, only cluster 0 showed a significant decrease in GO-BP terms related to ribosome production, implying a potential correlation between ribosome regulation and the differentiation stages of AT-MSCs. Overall, our findings highlight heterogeneous cell clusters with varying balances between proliferation and differentiation before, and after, chondrogenic stimulation. This provides enhanced insights into the single-cell dynamics of AT-MSCs during chondrogenic differentiation.
Junaid, Muhammad;Lee, Aejin;Kim, Jaehyung;Park, Tae Jun;Lim, Su Bin
Molecules and Cells
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제45권9호
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pp.610-619
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2022
Cellular senescence plays a paradoxical role in tumorigenesis through the expression of diverse senescence-associated (SA) secretory phenotypes (SASPs). The heterogeneity of SA gene expression in cancer cells not only promotes cancer stemness but also protects these cells from chemotherapy. Despite the potential correlation between cancer and SA biomarkers, many transcriptional changes across distinct cell populations remain largely unknown. During the past decade, single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) technologies have emerged as powerful experimental and analytical tools to dissect such diverse senescence-derived transcriptional changes. Here, we review the recent sequencing efforts that successfully characterized scRNA-seq data obtained from diverse cancer cells and elucidated the role of senescent cells in tumor malignancy. We further highlight the functional implications of SA genes expressed specifically in cancer and stromal cell populations in the tumor microenvironment. Translational research leveraging scRNA-seq profiling of SA genes will facilitate the identification of novel expression patterns underlying cancer susceptibility, providing new therapeutic opportunities in the era of precision medicine.
Functional interpretation of noncoding genetic variants associated with complex human diseases and traits remains a challenge. In an effort to enhance our understanding of common germline variants associated with lung cancer, we categorize regulatory elements based on eight major cell types of human lung tissue. Our results show that 21.68% of lung cancer-associated risk variants are linked to noncoding regulatory elements, nearly half of which are cell type-specific. Integrative analysis of high-resolution long-range chromatin interactome maps and single-cell RNA-sequencing data of lung tumors uncovers number of putative target genes of these variants and functionally relevant cell types, which display a potential biological link to cancer susceptibility. The present study greatly expands the scope of functional annotation of lung cancer-associated genetic risk factors and dictates probable cell types involved in lung carcinogenesis.
Trophoblasts, important functional cells in the placenta, play a critical role in maintaining placental function. The heterogeneity of trophoblasts has been reported, but little is known about the trophoblast subtypes and distinctive functions during preeclampsia (PE). In this study, we aimed to gain insight into the cell type-specific transcriptomic changes by performing unbiased single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) of placental tissue samples, including those of patients diagnosed with PE and matched healthy controls. A total of 29,006 cells were identified in 11 cell types, including trophoblasts and immune cells, and the functions of the trophoblast subtypes in the PE group and the control group were also analyzed. As an important trophoblast subtype, extravillous trophoblasts (EVTs) were further divided into 4 subgroups, and their functions were preliminarily analyzed. We found that some biological processes related to pregnancy, hormone secretion and immunity changed in the PE group. We also identified and analyzed the regulatory network of transcription factors (TFs) identified in the EVTs, among which 3 modules were decreased in the PE group. Then, through in vitro cell experiments, we found that in one of the modules, CEBPB and GTF2B may be involved in EVT dysfunction in PE. In conclusion, our study showed the different transcriptional profiles and regulatory modules in trophoblasts between placentas in the control and PE groups at the single-cell level; these changes may be involved in the pathological process of PE, providing a new molecular theoretical basis for preeclamptic trophoblast dysfunction.
Yoon, Bo Kyung;Oh, Tae Gyu;Bu, Seonghyeon;Seo, Kyung Jin;Kwon, Se Hwan;Lee, Ji Yoon;Kim, Yeumin;Kim, Jae-woo;Ahn, Hyo-Suk;Fang, Sungsoon
Molecules and Cells
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제45권10호
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pp.738-748
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2022
The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) pandemic has posed a serious threat to global public health. A novel vaccine made from messenger RNA (mRNA) has been developed and approved for use at an unprecedented pace. However, an increased risk of myocarditis has been reported after BNT162b2 mRNA vaccination due to unknown causes. In this study, we used single-cell RNA sequencing and single-cell T cell receptor sequencing analyses of peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) to describe, for the first time, changes in the peripheral immune landscape of a patient who underwent myocarditis after BNT162b2 vaccination. The greatest changes were observed in the transcriptomic profile of monocytes in terms of the number of differentially expressed genes. When compared to the transcriptome of PBMCs from vaccinated individuals without complications, increased expression levels of IL7R were detected in multiple cell clusters. Overall, results from this study can help advance research into the pathogenesis of BNT162b2-induced myocarditis.
Intratumor heterogeneity within a single tumor mass is one of the hallmarks of malignancy and has been reported in various tumor types. The molecular characterization of intratumor heterogeneity in breast cancer is a significant challenge for effective treatment. Using single-cell RNA sequencing (RNA-seq) data from a public resource, an ERBB pathway activated triple-negative cell population was identified. The differential expression of three subtyping marker genes (ERBB2, ESR1, and PGR) was not changed in the bulk RNA-seq data, but the single-cell transcriptomes showed intratumor heterogeneity. This result shows that ERBB signaling is activated using an indirect route and that the molecular subtype is changed on a single-cell level. Our data propose a different view on breast cancer subtypes, clarifying much confusion in this field and contributing to precision medicine.
RNA-시퀀싱은 표본에 대한 전사체 전체의 패턴을 제공하는 기법이다. 그러나 RNA-시퀀싱은 표본 내 전체 세포에 대한 평균 유전자 발현만 제공할 수 있으며, 표본 내의 이질성(heterogeneity)에 대한 정보는 제공하지 못한다. 단일 세포 RNA-시퀀싱 기술의 발전을 통해 우리는 표본의 단일 세포 수준에서 이질성과 유전자 발현의 동역학(dynamics)에 대한 이해를 할 수 있게 되었다. 예를 들어, 우리는 단일 세포 RNA-시퀀싱을 통해 복잡한 조직을 구성하는 다양한 세포 유형을 식별할 수 있으며, 특정 세포 유형의 유전자 발현 변화와 같은 정보를 알 수 있다. 단일 세포 RNA-시퀀싱은 처음 도입된 이후 많은 이들의 관심을 끌게 되었으며, 이를 활용하기 위한 대규모 생물정보학(bioinformatics) 도구가 개발되었다. 그러나 단일 세포 RNA-시퀀싱에서 생성된 빅데이터 분석에는 데이터 전처리에 대한 이해와 전처리 이후 다양한 분석 기술에 대한 이해가 필요하다. 본 종설에서는 단일 세포 RNA-시퀀싱 데이터분석과 관련된 작업과정의 개요를 제시한다. 먼저 데이터의 품질 관리, 정규화 및 차원 감소와 같은 데이터의 전 처리 과정에 대해 설명한다. 그 이후, 가장 일반적으로 사용되는 생물정보학 도구를 활용한 데이터의 후속 분석에 대해 설명한다. 본 종설은 이 분야에 관심이 있는 새로운 연구자를 위한 가이드라인을 제공하는 것을 목표로 한다.
Jung Ho Lee;Brian H Lee;Soyoung Jeong;Christine Suh-Yun Joh;Hyo Jeong Nam;Hyun Seung Choi;Henry Sserwadda;Ji Won Oh;Chung-Gyu Park;Seon-Pil Jin;Hyun Je Kim
Genomics & Informatics
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제21권2호
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pp.18.1-18.11
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2023
Immunologists have activated T cells in vitro using various stimulation methods, including phorbol myristate acetate (PMA)/ionomycin and αCD3/αCD28 agonistic antibodies. PMA stimulates protein kinase C, activating nuclear factor-κB, and ionomycin increases intracellular calcium levels, resulting in activation of nuclear factor of activated T cell. In contrast, αCD3/αCD28 agonistic antibodies activate T cells through ZAP-70, which phosphorylates linker for activation of T cell and SH2-domain-containing leukocyte protein of 76 kD. However, despite the use of these two different in vitro T cell activation methods for decades, the differential effects of chemical-based and antibody-based activation of primary human T cells have not yet been comprehensively described. Using single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) technologies to analyze gene expression unbiasedly at the single-cell level, we compared the transcriptomic profiles of the non-physiological and physiological activation methods on human peripheral blood mononuclear cell-derived T cells from four independent donors. Remarkable transcriptomic differences in the expression of cytokines and their respective receptors were identified. We also identified activated CD4 T cell subsets (CD55+) enriched specifically by PMA/ionomycin activation. We believe this activated human T cell transcriptome atlas derived from two different activation methods will enhance our understanding, highlight the optimal use of these two in vitro T cell activation assays, and be applied as a reference standard when analyzing activated specific disease-originated T cells through scRNA-seq.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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