Nat Med | 用单细胞像素描绘女性月经周期

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我们熟悉的女性月经周期其实是由子宫内膜(endometrium) 每月的脱落，再生和重塑完成的 (图1)。这个过程几乎只发生在人类中【1-4】，由激素调控 (图1b, c)，月月循环，和生命的孕育息息相关。每个月，子宫内膜会进入一个为期几天的“最友好”状态 —— 即内膜组织在这个状态里最容易接受胚胎的着床，使受孕可以成功推进 —— 我们因此叫这个状态“着床窗口”(window of implantation)(图1d)。在人工受孕中，精准地诊断出这个窗口对受孕成功有着关键的影响。

图1.女性子宫内膜随月经周期变化纵览，以及周期与大脑、卵巢激素的调控关系。

子宫内膜每月的脱落、再生、重塑是一个从有到无再到有的过程，因此在细胞和分子层面伴随着相对剧烈且快速的变化。具体来说，这个过程需要多种不同细胞种类在多种不同状态层面发生变化 – 这些层面包括细胞分裂、细胞分化、细胞与细胞的相互作用等等。这种多维度且快速的变化使女性子宫内膜成为一种有别于其它人体组织的独特存在，却也使它很难被无偏见地表征和研究。因此，尽管对基础科学和临床实践的发展有着重要影响，我们目前对人类子宫内膜随月经周期变化的机理理解仍处在非常初级的阶段。

2020年9月14日，美国斯坦福大学生物工程系Stephen Quake课题组在Nature Medicine上发表的题为”Single-cell transcriptomic atlas of the humanendometrium during the menstrual cycle”文章中，用单细胞测序技术系统地表征了人类月经周期这一独特的生理学过程。通过与由Carlos Simon带领的Igenomix Foundation的合作，这一课题招募了健康且无妇科疾病的女性，收集了她们子宫内膜的活检 (biopsy) —— 样品集跨越整个月经周期。在数据分析中，文章第一作者王宛欣利用单细胞像素的优势，无偏见地分解了子宫内膜转录组 (transcriptome) 在细胞种类、细胞状态、以及时间维度的信号，并为诊断“着床窗口”提供了高像素的分子标记集(markers) 。*

作者首先在转录组层面定义了组成子宫内膜的主要细胞种类 (图2) 。其中最有趣的是对于带纤毛的上皮细胞 (ciliated epithelial cells) 的定义。这种细胞经常被认为与子宫内膜疾病相关，缺少在转录组跨月经周期的定义，在内膜组织中的功能未知。作者证明这种细胞在健康的子宫内膜中跨越整个月经周期普遍存在，提供了对这种细胞跨越整个周期转录组的定义，并通过RNAscope 技术表征了这种细胞在空间上的分布 (图3) 。

图2.组成子宫内膜的主要细胞种类在转录组层面的定义。

图3. 运用RNAscope 技术表征带纤毛上皮细胞在人类子宫内膜中的空间分布。Day: 月经周期天数 (the day of menstrual cycle)。上：腺体上皮细胞 (glandular)，下：腔上皮细胞 (luminal)。

作者接着转向时间维度，研究不同细胞种类随月经周期的变化。有趣的是，虽然课题组取样时记录了每一个活检捐献女性所在月经周期天数 (the day of menstrual cycle) —— 即从她最近一次例假第一天到取活检时的天数 —— 这个指标并不能直接被用来定义子宫内膜在月经周期的进程。因为月经周期的长度在不同女性不同月份都可能不一样，即“我的第15天和你的第15天不一样” —— 相信女生们一定都对这个现象很熟悉。

图4. 对子宫内膜随人类月经周期变化不同阶段 (Phase: 1-4) 的定义。左：上皮细胞 (epi)，右：成纤维细胞 (str)。

为了克服这个问题，作者利用了单细胞测序的像素优势，无差别地定义了上皮细胞 (epithelial cells) 和成纤维细胞 (stromal fibroblasts) 在时间上的状态变化。作者发现，在转录组层面，人类月经周期可分为四个主要阶段 (图4) 。最引人注目的是，虽然阶段与阶段的转化基本呈连续状态，从第3到第4阶段的转化却伴随着上皮细胞在转录组极突然且不连续的变化 (图4， 5a) —— 不难看出这个变化在整个月经周期转录组的变化里是一个独特的存在。通过和以前全组织 (whole-tissue) 测序结果的比对并联系子宫内膜变化的生理特征，作者发现第4阶段的特征和“着床窗口”吻合。也就是说，伴随着以上描述的上皮细胞在转录组剧烈突变的，是女性子宫内膜“着床窗口”的打开。从临床诊断来说，这种突变的特性说明“着床窗口”应该可以被更准确更简单地诊断出来。作者因此在文章中提控了可用作诊断“着床窗口”高像素的分子标记集。

图5. 子宫内膜随人类月经周期的变化不同阶段 (Phase 1-4) 转录组的变化趋势。WOI: 着床周期 (window of implantation)。a. 上皮细胞 (epi)，b. 成纤维细胞 (str)。

现在基础科学和临床操作判断人类子宫内膜处于哪个周期阶段的黄金标准仍是1950年建立的组织学 (histology) 标准 【5】 。作者因此把用单细胞像素转录组建立的四个阶段的定义和黄金标准做了比较和比对，并指出相似和不同点。

月经周期中，期紧接着 “着床窗口”发生的周期末期，较前者具有同样重要的生物学意义。因为在人类中，如果胚胎成功着床，这个阶段将伴随子宫内膜向连接母婴的桥梁 – 胎盘 (placenta) – 的转化；而如果没有发生胚胎着床，这一阶段将以子宫内膜的脱落结束 —— 标志着本周期终结，新周期开始。作者因此在文章的最后将没有胚胎着床的周期末期子宫内膜的转录组与怀孕初期胎盘的转录组做了比较，并指出 —— 不同于之前研究的普遍认为 —— 子宫内膜在这两种“命运”中细胞的种类以及转录组状态有明显不同。这一发现表明，虽然人类子宫内膜区别于鼠模型的一个关键特点是其“着床窗口”的打开是自发的，而在鼠模型中需要胚胎着床来开启，但人类胚胎的着床会进一步推进子宫内膜细胞的转化以支持胚胎在母体的进一步发展。换句话说，人类子宫内膜虽然会在每月自发转化成为“胚胎友好”状态，内膜组织并不是在胚胎未着床前就做好了全部准备的。

就周期末期，作者还表征了免疫淋巴细胞 (lymphocytes) 在转录组的变化。通过对配体-受体对 (ligand-receptor pair） 的分析并借用免疫组织化学染色法 (immunohistochemistry) ，文章提供了淋巴细胞和成纤维细胞在周期末期相互作用的证据。

作为第一个成功地用单细胞测序技术系统地表征女性子宫内膜随月经周期变化的项目，这项研究证明了运用这个技术研究这一独特系统的可行性和优越性，并为人类健康子宫内膜提供了静态和动态的高像素定义。随文章发表的数据集可被未来研究用作健康对照组。文章对月经周期不同阶段的定义系统今后可被基础研究和临床诊断用来更准确地定义女性月经周期的进程。

在当今基础科学和临床界的取样中，男性样本常常优先于女性样本被选取，以避免月经周期对于结果的未知影响，如此取样的研究所得出的结论经常被批评与诟病。这项研究为这个问题提供了解决方案：通过将文章中对月经周期不同阶段的定义和其它易测量生理学指标 (metric) 联系起来，未来研究可以更严谨地探讨女性月经周期对人体在分子和行为层面的影响。

*Stephen Quake, Carlos Simon, Wanxin Wang 和Felipe Vilella提交了基于这项研究的结果的专利。

https://doi.org/10.1038/s41591-020-1040-z

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