単細胞トランスクリプトームプロファイリングにより、胚性毛包発生期の真皮細胞と上皮細胞の運命決定が明らかになった

Single-cell Transcriptome Profiling reveals Dermal and Epithelial cell fate decisions during Embryonic Hair Follicle Development.

• Wei Ge
• Shao-Jing Tan
• Shan-He Wang
• Lan Li
• Xiao-Feng Sun
• Wei Shen
• Xin Wang

抄録

世界では男性の50％、女性の25％が脱毛に悩まされていると推定されており、毛包のde novo形態形成を促進する分子機構を解明することは非常に重要な意味を持っています。しかし、細胞の不均一性が高く、毛包の発生が非同期であることから、毛包の発生に関与する分子機構については、現在のところ理解されている範囲は限られています。 E13.5（誘導期）、E16.5（器官形成期）胎児マウス、および新生児マウス（細胞分化期、生後0日目、P0）の背側皮膚から単細胞懸濁液を調製し、不偏的な単細胞RNAシークエンシングを行った。毛包のde novo形態形成期の単細胞転写ランドスケープを明らかにするために、我々は、細胞の不均一性を解剖し、主要な細胞タイプの細胞運命決定の基礎となる分子経路を明らかにするために、t-distributed Stochastic Neighbor Embedding (tSNE)、疑似時間細胞軌道推論、およびregulon enrichment解析を行った。さらに、我々の解析を検証するために、毛包の形態形成に関与する主要な分子の免疫組織化学的解析を行った。一方、リガンドと受容体のペアの事前知識に基づいて、異なる細胞集団間の細胞間コミュニケーションを推定した。 また、tSNE解析に基づき、皮膚組織から14個の細胞集団を同定し、特定の遺伝子発現プロファイルからその細胞の同一性を明らかにした。疑似時間順序解析を用いて、上皮/真皮細胞系列の分化の軌跡を構築することに成功した。真皮細胞系統については、真皮凝縮体(DC)細胞の運命決定時の動的な遺伝子発現プロファイルを再現し、胎内毛包発生期における異なる真皮乳頭(DP)細胞集団の不均一性を明らかにした。上皮細胞系統については、我々の解析により、過小評価されているマトリックス、毛包間表皮（IFE）、毛軸、内根鞘（IRS）細胞集団のダイナミックな遺伝子発現プロファイルが明らかになった。さらに、単細胞制御ネットワーク推論とクラスタリング解析により、細胞の運命決定に関わる主要な制御因子を明らかにした。最後に、細胞間コミュニケーション解析により、初期の毛包発生には細胞間の強力なコミュニケーションが関与していることが明らかになった。 本研究で得られた知見は、毛包上皮/皮膚細胞系列の運命決定に関わる分子景観を提供し、毛包形態形成期の異なる細胞集団におけるコア制御転写因子（TF）の連続的な活性化を再現するものである。さらに重要なことは、毛包のde novo形態形成に関与する分子経路を理解するための貴重な情報源となることである。

It is estimated that 50% of men and 25% of women worldwide suffer from hair loss, and therefore it is of great significance to investigate the molecular pathways driving hair follicle de novo morphogenesis. However, due to high cellular heterogeneity and the asynchronous development of hair follicles, our current understanding of the molecular mechanisms involved in follicle development remains limited. Single-cell suspensions from the dorsal skin of E13.5 (induction stage), E16.5 (organogenesis) fetal mice, and newborn mice (cytodifferentiation stage, postnatal day 0, P0) were prepared for unbiased single-cell RNA sequencing. To delineate the single-cell transcriptional landscape during hair follicle de novo morphogenesis, we performed t-distributed Stochastic Neighbor Embedding (tSNE), pseudotime cell trajectory inference, and regulon enrichment analysis to dissect cellular heterogeneity and reveal the molecular pathways underlying major cell type cell fate decisions. To validate our analysis, we further performed immunohistochemistry analysis of the key molecules involved during hair follicle morphogenesis. Meanwhile, intercellular communication between different cell populations was inferred based on a priori knowledge of ligand-receptor pairs. Based on tSNE analysis, we identified 14 cell clusters from skin tissue and delineated their cellular identity from specific gene expression profiles. By using pseudotime ordering analysis, we successfully constructed the epithelium/dermal cell lineage differentiation trajectory. For dermal cell lineage, our analysis here recapitulated the dynamic gene expression profiles during dermal condensate (DC) cell fate commitment and delineated the heterogeneity of the different dermal papilla (DP) cell populations during in utero hair follicle development. For the epithelium cell lineage, our analysis revealed the dynamic gene expression profiles of the underappreciated matrix, interfollicular epidermis (IFE), hair shaft and inner root sheath (IRS) cell populations. Furthermore, single-cell regulatory network inference and clustering analysis revealed key regulons during cell fate decisions. Finally, intercellular communication analysis demonstrated that strong intercellular communication was involved during early hair follicle development. Our findings here provide a molecular landscape during hair follicle epithelium/dermal cell lineage fate decisions, and recapitulate the sequential activation of core regulatory transcriptional factors (TFs) in different cell populations during hair follicle morphogenesis. More importantly, our study here represents a valuable resource for understanding the molecular pathways involved during hair follicle de novo morphogenesis, which will have implications for future hair loss treatments.

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