iMeta｜代码和图像全开源！分享华大一篇IF=23的多组学微生物群的文章-优快云博客

传统的单细胞厌倦了？挖掘不出新东西了？不妨看看华大的这篇做小鼠单细胞、空转、胆汁酸组学的研究，

标题：跨组织多组学分析表明肠道微生物群的缺失会影响器官形态、免疫稳态、胆汁酸和脂质代谢
DOI: 10.1002/imt2.272

数据及代码

组织	scRNA-seq	Stereo-seq
肝脏	`https://db.cngb.org/search/project/CNP0003996/`	`https://db.cngb.org/stomics/project/STT0000034/spatialGeneExpression`
脾脏	`https://db.cngb.org/search/project/CNP0003930/`	`https://db.cngb.org/stomics/project/STT0000089/spatialGeneExpression`
血液、骨髓、回肠、盲肠、结肠、胸腺	`https://db.cngb.org/search/project/CNP0005580/`	`https://db.cngb.org/stomics/project/STT0000129/spatialGeneExpression`
所有 RDS 文件	`https://db.cngb.org/search/project/CNP0005580/`	`https://db.cngb.org/stomics/project/STT0000129/spatialGeneExpression`

华大实力还是非常强悍的，几乎毫不保留，空间图像，以及每张figure的每张分析结果原图都有，和代码一一对应。当然数据在上面大家自行下载即可，这类大样本的肯定是用scanpy运行的毋庸置疑，小编对照过里面的ipynb，条理分明，养眼！！

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摘要

肠道微生物群影响宿主的免疫和代谢，其组成和功能的变化与多种非传染性疾病有关。本文，我们使用空间转录组学、单细胞 RNA 测序和靶向胆汁酸代谢组学对无菌 (GF) 小鼠和无特定病原体 (SPF) 小鼠进行了比较，系统地评估了肠道微生物群缺失如何影响器官形态、免疫稳态、胆汁酸和脂质代谢。通过综合分析，我们发现 B、髓系和 T/自然杀伤细胞明显异常，粘膜分区和营养吸收改变，粪便、肝脏和循环中胆汁酸谱发生显著变化，其中 GF 小鼠以替代合成途径为主，胆汁酸肠肝循环发生明显变化。具体而言，回肠上皮细胞和肝脏的锌指和 BTB 结构域蛋白 (ZBTB20)-脂蛋白脂肪酶 (LPL) (ZBTB20-LPL) 轴中自噬驱动的脂滴分解是 GF 小鼠血浆脂质稳态的关键。我们的研究结果揭示了共生肠道细菌与宿主之间串扰中微生物群-宿主相互作用的复杂性。

结果

多组学研究设计摘要

通过单细胞 RNA 测序 (scRNA-seq) 和空间增强分辨率组学测序 (Stereo-seq)，系统解析了微生物缺乏条件下组织微环境、免疫系统及代谢稳态的变化。结果显示，微生物缺乏会显著影响组织的生理功能，破坏免疫平衡和代谢稳态。t-SNE 可视化揭示了主要细胞类型的聚类特征，空间分布分析展示了不同组织（如胸腺、脾脏和肝脏）的关键细胞类型及其标记基因表达模式。进一步计算细胞聚集指数，并通过统计检验评估不同条件下细胞聚集模式的显著性，结果表明微生物环境对免疫细胞的空间组织和功能具有重要影响。

微生物群如何调控 B 细胞区室的跨组织异质性

通过 UMAP 可视化分析 B 细胞的亚型分布，结果显示不同组织中 B 细胞的比例和细胞周期存在显著差异。热图分析 GF 和 SPF 小鼠的 B 细胞亚型分布，揭示微生物群影响 B 细胞在不同组织中的丰度变化。进一步分析 MZ B 细胞和 FC B 细胞，发现关键标记基因 Cr2 和 Ighd 在不同 B 细胞亚群中的表达模式，并通过 GO 富集分析差异基因，揭示 MZ B 细胞与成熟 B 细胞在功能通路上的异同。结合 scRNA-seq 和 Stereo-seq 数据，评估 MZ B 细胞和 FC B 细胞的空间分布，并对脾脏白髓区域的核心基因进行空间可视化。最后，研究比较 GF 和 SPF 小鼠的浆细胞亚型组成，发现微生物群对浆细胞分布的异质性具有重要影响。

微生物群调节的髓系和 NK/T 细胞区室跨组织异质性

分析了髓系细胞和 NK/T 细胞区室，探讨其在 GF 和 SPF 小鼠中的异质性。结果显示，不同髓系亚型在各组织中的比例及细胞周期存在显著差异，热图分析进一步揭示 GF 小鼠和 SPF 小鼠之间的髓系细胞亚型分布变化。GO 富集分析表明，高表达 Il1b 的中性粒细胞在免疫调控相关通路上呈现特定富集模式，并结合 scRNA-seq 和 Stereo-seq 数据量化 GF 和 SPF 小鼠脾脏中性粒细胞的比例差异。此外，空间可视化展示了脾脏中性粒细胞关键基因的表达特征。对于 NK/T 细胞区室，研究通过 UMAP 解析其亚型组成，并利用热图对比不同条件下 NK/T 细胞的组织分布模式。脾脏白髓区域 T 细胞 Ctla4 基因的空间可视化揭示其特定富集区域，并通过火山图和功能富集分析 CD8αα_1 相关差异表达基因 (DEG) 及其关键通路。最后，研究分析 Il17a、Il22、Rorc、Ifng、Il1b 和 Tnf 在不同淋巴细胞亚型中的表达变化，发现 GF 小鼠中 Th17 相关基因普遍上调，提示巨噬细胞可能作为抗原呈递细胞 (APC) 促进 Th17 细胞的活化。

微生物群耗竭导致肠道上皮功能和分区发生改变

基于 Stereo-seq 对肠道区域进行了精细分区，并分析不同组织区域的细胞类型组成及其丰度分布。通过热图可视化 log₂ 转换的细胞类型富集分数，揭示不同区域的细胞丰度变化，同时分析上皮区室的相对比例，发现肠道上皮顶部区域的细胞占比显著。基因本体 (GO) 富集分析显示，不同肠段存在特定的差异表达基因 (DEG) 及其功能通路。进一步利用 scMetabolism 计算不同肠道上皮亚型的代谢活性，并采用 Wilcoxon 检验评估其显著性，发现特定代谢通路在不同细胞类型间呈现差异化调控模式。此外，空间可视化分析 Reg3β 和 Reg3γ 的表达，揭示其在先天免疫防御中的作用，并通过点图描绘不同肠道段关键功能基因的表达谱，量化基因表达水平及对应细胞群的比例分布，进一步揭示肠道功能的空间异质性。

微生物清除对肠上皮细胞脂质吸收和代谢的影响

点图分析显示，与脂质转运、脂滴形成、脂肪酸氧化及脂蛋白代谢相关的基因在肠道不同区域的表达存在显著变化。通过对比 SPF 和 GF 小鼠的脂肪储存、分解及吞噬过程，发现微生物缺乏显著影响肠道脂质代谢途径。回肠免疫荧光染色进一步验证了这一差异。空间分析揭示 Lpl 和 Zbtb20 在肝脏不同区域（中央静脉 CV 与门静脉 PV）中的表达特征，表明该基因调控轴可能在不同肝区发挥特异性功能。此外，Lpl 基因的空间可视化结果进一步确认了其表达分布与肝脏层级结构的对应关系

微生物群耗竭对胆汁酸（BA）合成途径和重吸收能力的影响

浓度值密度分布分析表明，GF 和 SPF 小鼠在多个体内部位的 BA 浓度模式存在差异，固体样品以 nmol/g 表示，液体样品以 nmol/L 表示。条形图分析不同样本（肝脏、盲肠、粪便和血浆）中 BA 的组成比例，结果显示微生物群缺失显著影响胆汁酸的种类和丰度，尤其是在 CA、CDCA、DCA 和 LCA 等 12-OH 和非 12-OH BA 的相对含量上表现出明显变化。此外，箱线图分析肝脏 CDCA/CA 和 β-MCA/CA 的比值，揭示 GF 小鼠的 BA 代谢偏向替代合成途径，Wilcoxon 检验进一步证实两组间的显著性差异。点图分析 BA 代谢及肠道吸收相关基因的表达情况，显示 GF 小鼠中部分关键基因表达异常。最后，通过示意图解析肝肠轴 BA 循环的分子过程，其中蓝色基因表示 GF 小鼠中下调，红色基因表示上调。