成功案例 | 心脏单细胞转录组：ANGPTL4 介导 HFpEF 纤维化与血管新生紊乱
文章题目：Single-cell transcriptomic profiling of heart reveals ANGPTL4 linking fibroblasts and angiogenesis in heart failure with preserved ejection fraction 文章主题：心脏单细胞转录组研究揭示：ANGPTL4 连接成纤维细胞与血管新生，调控射血分数保留型心力衰竭 发表期刊：Journal of Advanced Research 影响因子：13.0 组学技术：scRNA-Seq &bulk RNA-Seq
本研究证实 HFpEF 心脏呈现心肌纤维化加重、微血管稀疏、慢性炎症的典型病理特征，与临床表型高度一致。研究同时表明，心脏成纤维细胞分泌的 ANGPTL4 是调控血管新生的关键介质，该分子有望成为治疗 HFpEF 的全新药物靶点。 图1. 对照组与射血分数保留型心力衰竭（HFpEF）小鼠心脏非心肌细胞的单细胞 RNA 测序结果（每组各 3 只小鼠） (A) 实验设计与数据分析流程； (B) 整合数据的 t-SNE 聚类图； (C) 两组小鼠血管相关细胞谱系、免疫相关细胞谱系的占比对比； (D) 各细胞谱系排名前三的标志基因； (E) 内皮细胞谱系特征标志基因表达的 UMAP 分布图。 图2. 对照组与射血分数保留型心力衰竭（HFpEF）小鼠心脏成纤维细胞的差异深度分析（每组各 3 只小鼠） (A) 心脏成纤维细胞 UMAP 分布图，按人工注释的细胞亚群进行着色； (B) 各心脏成纤维细胞亚群排名前三的标记基因； (C) 两组小鼠心脏成纤维细胞各亚群的占比对比； (D) 两组间差异表达基因图，其中红点代表 HFpEF 组上调基因，蓝点代表下调基因； (E) 网络图：展示 HFpEF 组上调基因富集度排名前五的基因本体（GO）条目； (F) 两组转录因子活性分析结果； (G) 心脏成纤维细胞拟时序分化轨迹图，按细胞亚群着色； (H) 以节点 1 为分界，将分支轨迹划分为三种主要细胞状态，对比两组各状态的细胞占比，并以颜色区分细胞状态； (I) 热图：展示两条分化轨迹上表达模式存在显著差异的基因动态变化，经层次聚类将基因分为三大类； (J) 各类基因集的基因本体（GO）功能富集分析； (K) 各类基因集的核心基因互作网络。 图3. 对照组与射血分数保留型心力衰竭（HFpEF）小鼠不同状态心脏成纤维细胞的能量代谢水平及血管生成能力（每组各 3 只小鼠） (A) 基因集富集分析（GSEA）雷达图，展示三种细胞状态中多条通路的表达异常情况； (B) 热图，呈现三种细胞状态下多条能量代谢通路关键基因的平均表达水平； (C) 韦恩图，展示三组基因列表的交集； (D) 小提琴图，显示三种细胞状态中 8 种促血管生成分泌蛋白编码基因的表达水平； (E) 三种细胞状态下 4 个抗氧化应激相关基因的表达水平； (F) 批量 RNA 测序数据分析得到的两组样本中，上述 8 种促血管生成分泌蛋白编码基因的表达水平； (G) UMAP 分布图，可见这 8 个基因主要在心脏成纤维细胞中表达。 图 4 射血分数保留型心力衰竭（HFpEF）组与对照组小鼠平滑肌细胞的特征差异（每组各 3 只小鼠） (A) 平滑肌细胞 UMAP 分布图，按细胞亚群进行着色； (B) 气泡图，展示各细胞亚群中特征基因的表达水平； (C) 两组小鼠平滑肌细胞各亚群的占比对比； (D) 基因集富集分析（GSEA）雷达图，反映两组多条通路的表达异常情况； (E) HFpEF 组与对照组的转录因子活性分析结果； (F–G) 活化静脉平滑肌细胞、活化动脉平滑肌细胞标志基因的基因本体（GO）功能富集分析； (H) 功能关联网络图，展示活化静脉平滑肌细胞排名前三的功能条目； (I) 小提琴图，呈现两组平滑肌细胞中Egr1基因的表达水平。 图5. HFpEF 组动脉内皮细胞的功能障碍特征分析（每组各 3 只小鼠） (A) 动脉内皮细胞 UMAP 分布图，按细胞亚群着色； (B) 各细胞亚群排名前两位的标记基因； (C) HFpEF 组与对照组的细胞密度图及各亚群占比； (D) 基因集富集分析（GSEA）显示两组对比下多条基因本体（GO）通路表达紊乱； (E) HFpEF 组动脉内皮细胞的白细胞跨内皮迁移通路表达上调； (F) 基因集富集分析（GSEA）提示两组间多条京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路存在异常； (G) 动脉内皮细胞拟时序分化轨迹图，按细胞亚群着色； (H) 热图展示两条分化分支上表达模式存在显著差异的基因动态变化；通过层次聚类将基因分为 3 个集群，并对其中规模最大的两个基因集群开展基因本体（GO）分析； (I) 以节点 1 为界将分化轨迹划分为三种主要细胞状态，对比两组各状态的细胞占比，并以颜色区分不同细胞状态。 图6. HFpEF 组毛细血管内皮细胞谱系的特征异常分析（每组各 3 只小鼠） (A) 毛细血管内皮细胞 UMAP 分布图，按细胞亚群进行着色； (B) 各细胞亚群排名前四位的标记基因； (C) HFpEF 组与对照组中各细胞亚群的占比对比； (D) 火山图展示两组间的差异表达基因，其中红点代表 HFpEF 组的上调基因； (E) 基因集富集分析（GSEA）显示两组间多条信号通路表达紊乱； (F–G) HFpEF 组的白细胞跨膜转运通路与细胞凋亡通路被显著激活； (H) 毛细血管内皮细胞拟时序分化轨迹图，按细胞亚群着色； (I) 热图呈现分化轨迹上表达模式存在显著差异的基因动态变化；经层次聚类将基因分为 4 个基因簇，并对差异最显著的两个基因簇开展基因本体（GO）分析； (J) 将分化轨迹重新划分为三种主要细胞状态，对比两组中各细胞状态的细胞占比。 图7. 心脏成纤维细胞与血管相关细胞谱系的细胞间通讯分析（每组各 3 只小鼠） (A) HFpEF 组与对照组细胞相互作用的总数及作用强度； (B) 热图展示两组整体信号传递模式；上方柱状图、右侧柱状图分别表示各细胞谱系、各配体 - 受体对的信号数量变化总和； (C) HFpEF 组中表达下调的信号通路； (D–E) 两组各信号通路的相对信息流与绝对信息流；信息流定义为所有细胞亚群配对间通讯概率的总和； (F) HFpEF 组中表达上调的信号通路； (G) 两组 ANGPTL 信号通路网络；连线宽度代表相互作用强度，连线颜色根据信号来源进行区分； (H) t-SNE 分布图展示Angptl4基因在两组中的表达情况； (I) 两组小鼠心肌组织切片的 ANGPTL4 免疫荧光染色结果（ANGPTL4：红色，DAPI：蓝色）；低倍镜图标尺：200 μm，高倍镜图标尺：50 μm。
