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—— 中國食品雜志社
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單細(xì)胞測序時(shí)代:針對特定器官的食物營養(yǎng)和毒理學(xué)研究
2024-01-18 22:37:51 432
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Introduction

由于食物成分的復(fù)雜性質(zhì),人們很難闡明這些化合物究竟是如何影響宿主健康的。膳食食品往往有選擇地對不同類型的細(xì)胞呈現(xiàn)其作用機(jī)制,并參與目標(biāo)細(xì)胞及其器官內(nèi)微環(huán)境的調(diào)節(jié)。然而,傳統(tǒng)的體外實(shí)驗(yàn)或體內(nèi)動物實(shí)驗(yàn)的局限性不能全面檢查細(xì)胞的異質(zhì)性和組織偏向的影響。單細(xì)胞RNA測序(scRNA-seq)就成為了一種不可或缺的方法,它能將組織分解為不同的細(xì)胞類型,以展示單個(gè)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄譜。本文總結(jié)了三個(gè)典型器官(腦、肝、腎)和兩個(gè)具有代表性的免疫和腫瘤相關(guān)的健康問題的scRNA-seq的應(yīng)用。scRNA-seq在飲食食品研究中的作用越來越大,隨著進(jìn)一步的改進(jìn),還可以提供亞細(xì)胞信息和其他細(xì)胞模式之間的耦合。
在這篇綜述中,中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)學(xué)院王小斐副教授、鄭浩教授等簡要討論了關(guān)于飲食和健康以及飲食和疾病之間聯(lián)系的單細(xì)胞RNA測序數(shù)據(jù)。本文總結(jié)了三個(gè)典型器官(腦、肝、腎)和兩個(gè)有代表性的免疫和腫瘤相關(guān)的健康問題上的單細(xì)胞RNA測序應(yīng)用。本文預(yù)計(jì),隨著在提供亞細(xì)胞信息方面的進(jìn)一步改進(jìn)以及與其他細(xì)胞模式的耦合,單細(xì)胞RNA測序在飲食食品研究中的作用會越來越大。這項(xiàng)技術(shù)可能會破譯飲食干預(yù)的細(xì)胞規(guī)格變化,并在單細(xì)胞分辨率下比較健康和疾病相關(guān)的組織,最終目的是提高我們對飲食和健康之間聯(lián)系的理解。

圖1 scRNA-Seq在食品營養(yǎng)和毒理學(xué)中的應(yīng)用示意圖

scRNA-Seq在飲食食物代謝和宿主健康中的應(yīng)用
飲食分子在作為能量來源、反應(yīng)的催化劑、信號受體的配體或細(xì)胞的結(jié)構(gòu)成分的最終用途之前必須被吸收和代謝。對其代謝的調(diào)節(jié)可能導(dǎo)致對宿主健康有益或有害的后果,這可能是由于基因表達(dá)的水平和代謝物景觀的改變。膳食營養(yǎng)素和毒物通常有”目標(biāo)”器官,可能在大腦、肝臟、腎臟、腸道中局部作用,也可能在其他器官中系統(tǒng)地作用。在那里,看似同質(zhì)的器官是復(fù)雜的組織,包含眾多的細(xì)胞,在形態(tài)、連接和功能方面具有專門的特征,其細(xì)胞可以通過位置、形態(tài)、分子標(biāo)記和基因表達(dá)模式來分類。因此,器官的復(fù)雜性和細(xì)胞的異質(zhì)性使得這些飲食實(shí)驗(yàn)必須在少量細(xì)胞甚至單細(xì)胞的分辨率下進(jìn)行。盡管單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)在生物研究中有著廣泛的應(yīng)用,可以比較健康和疾病相關(guān)的組織,但這種方法在食品營養(yǎng)和毒理學(xué)中仍處于起步階段。
益腦食物如何滋養(yǎng)腦力?
食用富含抗氧化劑(多酚類物質(zhì)、類胡蘿卜素、VC等)、硒、銅、鐵、鋰和鋅等微量元素及多不飽和脂肪酸(PUFAs)的食物有益于大腦健康和認(rèn)知功能。有害的飲食行為(過度喂養(yǎng)、高熱量/低膳食纖維飲食)、環(huán)境因素(酒精、藥物和接觸殺蟲劑)可能會加速神經(jīng)變性。但益腦食物的潛在的治療特性的分子機(jī)制仍然未知。單細(xì)胞RNA技術(shù)在腦細(xì)胞領(lǐng)域已有一些研究。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)方面,scRNA-seq可以在群體水平上區(qū)分不同的細(xì)胞類型,這為更精確地了解神經(jīng)系統(tǒng)和神經(jīng)退行性疾病鋪平了道路。
肝臟排毒食品如何修復(fù)肝臟?
飲食中的多酚類物質(zhì)、香料、益生菌、維生素、n-3 PUFA已經(jīng)被證明可以改善肝臟疾病的進(jìn)展。整合scRNA-seq數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),姜黃素衍生物Curc-mPEG454能有效抑制受損肝臟中疤痕相關(guān)巨噬細(xì)胞亞群和產(chǎn)生疤痕的肌成纖維細(xì)胞的擴(kuò)張,并通過調(diào)節(jié)配體-受體相互作用(包括血小板衍生生長因子-B/血小板衍生生長因子受體-α信號傳導(dǎo))重塑纖維化生態(tài)。scRNA-seq分析研究為飲食干預(yù)提供了一個(gè)分子框架,作為關(guān)鍵致病細(xì)胞群的治療目標(biāo)。

保腎食品如何避免用于腎衰竭?
腎臟是一個(gè)高度復(fù)雜的器官,在解剖學(xué)上有不同的部分,包括腎小球和腎小管,它們是腎小管的重要組成部分。腎臟的功能復(fù)雜性似乎與不同結(jié)構(gòu)中的不同細(xì)胞類型有關(guān)。以前的研究對腎臟的不同組成部分進(jìn)行了大量的RNA測序,不同片段的轉(zhuǎn)錄組結(jié)果。然而,這些結(jié)果只能反映整體的平均RNA表達(dá),而不是單細(xì)胞水平,scRNA-seq分析技術(shù)可以填補(bǔ)這一空缺。
提高免疫的食品是如何提高免疫系統(tǒng)的?
免疫食品通過干擾目標(biāo)病毒直接進(jìn)入防御機(jī)制,或通過激活與適應(yīng)性免疫系統(tǒng)相關(guān)的細(xì)胞間接發(fā)揮作用。一些營養(yǎng)物質(zhì)可以提高人們的免疫力,并可能作為治療潛力來對抗病毒感染,但其背后的細(xì)胞機(jī)制仍不清楚。因此,為了分析復(fù)雜的細(xì)胞混合物并糾正到單細(xì)胞和單分子,用scRNA-seq方法分析免疫食物反應(yīng)是極為合適的。此外,單細(xì)胞RNA測序能夠發(fā)現(xiàn)健康和疾病中的致病免疫細(xì)胞亞群,以及它們的發(fā)展“軌跡”。
抗癌飲食如何降低癌癥風(fēng)險(xiǎn)?
單細(xì)胞測序提高了我們對惡性腫瘤前期侵襲、腫瘤內(nèi)異質(zhì)性、腫瘤微環(huán)境(TME)、轉(zhuǎn)移擴(kuò)散和治療抗性的認(rèn)識,單細(xì)胞技術(shù)在早期腫瘤檢測和靶向藥物發(fā)現(xiàn)方面為臨床轉(zhuǎn)化提供了新的機(jī)會。

scRNA-seq在食品營養(yǎng)和毒理學(xué)中的設(shè)計(jì)和工作流程

細(xì)胞是組織和器官的組成部分,它們的未知性和復(fù)雜性限制了對生物系統(tǒng)基礎(chǔ)的細(xì)胞多樣性的完整解釋。細(xì)胞功能的主要決定因素是轉(zhuǎn)錄過程。傳統(tǒng)上,基因表達(dá)的測量是在包含數(shù)千個(gè)不同細(xì)胞的“批量”樣本上進(jìn)行的。雖然對批量RNA測序的實(shí)驗(yàn)偏差研究得很好,但單細(xì)胞RNA-seq和單核或細(xì)胞核RNA-seq(snRNA-seq)都是比較新的技術(shù)。在過去的十年中,自第一個(gè)哺乳動物細(xì)胞的單細(xì)胞RNA測序開發(fā)以來,單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)領(lǐng)域進(jìn)展迅速。隨后,以前在批量測量中被掩蓋的單個(gè)細(xì)胞的異質(zhì)性可以被揭示出來。在某些細(xì)胞類型中,不使用酶就可以很容易地分離出細(xì)胞核,而且與細(xì)胞相比,它們對物理壓力的抵抗力更強(qiáng)。然而,盡管大多數(shù)基因在細(xì)胞和細(xì)胞核中顯示出相似的相對豐度,但與整個(gè)細(xì)胞相比,一小部分基因群被耗盡了。因此,在選擇snRNA或scRNA-seq來評估與膳食食品功能活動相關(guān)的目標(biāo)細(xì)胞/器官時(shí),應(yīng)謹(jǐn)慎行事。為了讓大家對scRNA-seq的概念有一個(gè)大致的了解,本文對實(shí)驗(yàn)工作流程進(jìn)行了簡要的概述,以討論這項(xiàng)技術(shù)在食品科學(xué)中的潛在應(yīng)用。本文提供了scRNA-seq的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和工作流程,主要有四個(gè)步驟:單細(xì)胞分離、文庫構(gòu)建、測序和生物信息數(shù)據(jù)分析。

圖2 scRNA-seq在食品營養(yǎng)和毒理學(xué)中的設(shè)計(jì)和工作流程
Conclusion
細(xì)胞是一個(gè)有機(jī)體、多細(xì)胞或生物體的功能單位。細(xì)胞異質(zhì)性是最近才認(rèn)識到的,但卻是疾病的重要特征,是不同器官/組織的各種生物特征的基礎(chǔ)。單細(xì)胞測序技術(shù)的出現(xiàn)促進(jìn)了在單細(xì)胞水平上對細(xì)胞異質(zhì)性的復(fù)雜分子機(jī)制的深入研究,從而了解飲食如何影響宿主生物學(xué)并開發(fā)有效的飲食干預(yù)。本文提供了scRNA-seq的一般工作流程,scRNA-seq學(xué)科的最新應(yīng)用,這項(xiàng)新技術(shù)如何闡明有關(guān)食品安全和食品營養(yǎng)的論點(diǎn),以及相關(guān)的人類福祉。通過建立一個(gè)整合飲食干預(yù)和宿主代謝的細(xì)胞分子分析框架,上述scRNA-seq可以提供一個(gè)機(jī)會來完善人們對食品安全和營養(yǎng)的基本概念,對健康影響和營養(yǎng)之間的直接因果關(guān)系產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。因此,新的單細(xì)胞RNA方法與其他 "全能 "級聯(lián)(轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)或基因組學(xué))相結(jié)合,可能會改變?nèi)藗儗︼嬍呈称返目捶ā?/section>
通信作者


鄭浩,中國農(nóng)業(yè)大學(xué)領(lǐng)軍教授(B類),國家海外高層次引進(jìn)青年人才。本科畢業(yè)于清華大學(xué)化工系,碩士獲得清華大學(xué)、日本東京工業(yè)大學(xué)雙學(xué)位,博士畢業(yè)于德國馬普陸地微生物所,于美國得克薩斯大學(xué)Nancy Moran院士實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究。目前主要致力于蜜蜂、熊蜂腸道菌群功能研究與微生物組學(xué)新技術(shù)開發(fā)。近五年以第一/通訊作者身份在PNAS,Nature Communications, Microbiome等雜志發(fā)表多篇文章。擔(dān)任中國昆蟲學(xué)會昆蟲微生物組專委會、中國生態(tài)學(xué)會微生物生態(tài)專委會、中國生物物理學(xué)會腸道菌群分會、食品科技學(xué)會青年委員會委員。Integrative Zoology、Frontiers in Microbiology、Journal of Future Foods期刊編委。目前主持科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年項(xiàng)目、國家自然基金面上項(xiàng)目等。曾獲中國農(nóng)學(xué)會、中國昆蟲學(xué)會、中國生態(tài)學(xué)會青年科技獎(jiǎng),首屆中國生物物理學(xué)會腸道菌群分會優(yōu)秀青年科學(xué)家獎(jiǎng),中國技術(shù)市場協(xié)會金橋獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)。

Food nutrition and toxicology targeting on specific organs in the era of single-cell sequencing

Xiaofei Wang, Xiaowen Cheng, Huiling Liu, Xiaohuan Mu, Hao Zheng*

National Engineering Technology Research Center for Fruit and Vegetable Processing, Key Open Laboratory of Fruit and Vegetable Processing, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing Key Laboratory of Food Non-Thermal Processing, College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China

*Corresponding author.

Abstract

Due to the complex natures of dietary food components, it is difficult to elucidate how the compounds affect host health. Dietary food often selectively presents its mechanism of action on different cell types, and participates in the modulation of targeted cells and their microenvironments within organs. However, the limitations of traditional in vitro assays or in vivo animal experiments cannot comprehensively examine cellular heterogeneity and the tissue-biased influences. Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) has emerged as an indispensable methodology to decompose tissues into different cell types for the demonstration of transcriptional profiles of individual cells. ScRNA-seq applications has been summarized on three typical organs (brain, liver, kidney), and two representative immune-and tumor related health problems. The everincreasing role of scRNA-seq in dietary food research with further improvement can provide sub-cellular information and the coupling between other cellular modalities. In this review, we propose utilizing scRNAseq to more effectively capture the subtle and complex effects of food chemicals, and how they may lead to health problems at single-cell resolution. This novel technique will be valuable to elucidate the underlying mechanism of both the health benefits of food nutrients and the detrimental consequences food toxicants at the cellular level.


Reference:
WANG X F, CHENG X W, LIU H L, et al. Food nutrition and toxicology targeting on specific organs in the era of single-cell sequencing[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(1): 75-89. DOI:10.26599/FSHW.2022.9250006.

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