[论文解读] A single-cell RNA expression map of coronavirus receptors and associated factors in developing human embryos

Stacy Colaco, Karisma Chhabria+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2020

COVID-19 Impact on Reproduction参考文献 62被引用 6

一句话总结

本研究绘制了人类囊胚期胚胎中冠状病毒受体（ACE2、BSG、DPP4、ANPEP）和进入因子（TMPRSS2、CTSL）的单细胞RNA表达图谱，发现表皮胚层和滋养外胚层细胞中存在ACE2与TMPRSS2的共表达。两种谱系中均存在216个共同基因，富集于脂质代谢、溶酶体、过氧化物酶体及氧化磷酸化通路，提示发育中胚胎可能通过经典和非经典途径对SARS-CoV-2具有易感性。

ABSTRACT

To predict if developing human embryos are permissive to coronaviruses, we analyzed publicly available single cell RNA-seq datasets of zygotes, 4-cell, 8-cell, morula, inner cell mass, epiblast, primitive endoderm and trophectoderm for the coronavirus receptors (ACE2, BSG, DPP4 and ANPEP), the Spike protein cleavage enzymes (TMPRSS2, CTSL). We also analyzed the presence of host genes involved in viral replication, the endosomal sorting complexes required for transport (ESCRT) and SARS-Cov-2 interactions. The results reveal that ACE2, BSG, DPP4 and ANPEP are expressed in the cells of the zygote, to blastocyst including the trophectodermal lineage. ACE2, TMPRSS, BSG and CTSL are co-transcribed in a proportion of epiblast cells and most cells of the trophectoderm. The embryonic and trophectodermal cells also express genes for proteins ESCRT, viral replication and those that interact with SARS-CoV-2. We identified 1985 genes in epiblast and 1452 genes in the trophectoderm that are enriched in the ACE2 and TMPRSS2 co-expressing cells; 216 genes of these are common in both the cell types. These genes are associated with lipid metabolism, lysosome, peroxisome and oxidative phosphorylation pathways. Together our results suggest that developing human embryos could be permissive to coronavirus entry by both canonical and non-canonical mechanisms and they also express the genes for proteins involved in viral endocytosis and replication. This knowledge will be useful for evidence-based patient management for IVF during the COVID-19 pandemic.

研究动机与目标

• 评估发育中人类胚胎是否表达冠状病毒进入所必需的受体和宿主因子。
• 确定ACE2、TMPRSS2及其他病毒进入相关基因在囊胚期各阶段的细胞分布。
• 识别胚胎谱系（表皮胚层和滋养外胚层）中关键病毒进入因子的共表达模式。
• 评估与病毒复制、内吞作用（ESCRT）及SARS-CoV-2相互作用相关的宿主基因在早期胚胎中的表达。
• 为理解在新冠疫情背景下体外受精过程中胚胎对SARS-CoV-2的易感性提供分子基础。

提出的方法

• 分析人类受精卵、4细胞期、8细胞期、桑葚胚、内细胞团、表皮胚层、原始内胚层及滋养外胚层阶段的公开单细胞RNA-seq数据集。
• 鉴定冠状病毒受体（ACE2、BSG、DPP4、ANPEP）及刺突蛋白切割酶（TMPRSS2、CTSL）的表达水平。
• 对表皮胚层和滋养外胚层细胞中ACE2与TMPRSS2的共表达进行分析，以识别潜在的易感细胞群。
• 对ACE2/TMPRSS2共表达细胞中表皮胚层的1985个基因及滋养外胚层的1452个基因进行基因集富集分析，以识别生物通路。
• 整合参与病毒复制、内体分选（ESCRT）及SARS-CoV-2相互作用网络的宿主因子。
• 比较表皮胚层与滋养外胚层在共表达细胞中的共享与谱系特异性基因表达特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些人类囊胚期胚胎细胞类型表达SARS-CoV-2受体ACE2、BSG、DPP4和ANPEP？
• RQ2 关键病毒进入因子TMPRSS2和CTSL是否在胚胎谱系中与ACE2共表达？
• RQ3 在表皮胚层和滋养外胚层中，共表达ACE2和TMPRSS2的细胞中哪些宿主基因网络富集？
• RQ4 胚胎细胞是否表达与病毒内吞作用（ESCRT）及复制机制相关的基因？
• RQ5 表皮胚层与滋养外胚层在SARS-CoV-2易感性相关分子特征方面共享程度如何？

主要发现

• ACE2、BSG、DPP4和ANPEP在从受精卵到囊胚阶段的细胞中均有表达，包括滋养外胚层谱系。
• ACE2与TMPRSS2在部分表皮胚层细胞及大多数滋养外胚层细胞中共同转录。
• CTSL在表皮胚层和滋养外胚层中与ACE2和TMPRSS2共表达，支持其具备功能性病毒进入潜力。
• 在ACE2/TMPRSS2共表达的表皮胚层细胞中富集了1985个基因，在滋养外胚层中富集了1452个基因，其中216个基因在两者中共享。
• 共享的216个基因显著富集于脂质代谢、溶酶体功能、过氧化物酶体及氧化磷酸化通路。
• 胚胎细胞表达ESCRT复合物组分、病毒复制机器相关基因，以及已知与SARS-CoV-2相互作用的蛋白，提示具备病毒复制潜力。