Russian Journal of GeneticsRussian Journal of GeneticsГенетика0016-67583034-5103The Russian Academy of Sciences66719510.31857/S0016675824090033aezrhoМОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКАResearch ArticleCombination of histological and transcriptomic approaches for cell types annotation in non-model organisms by example of spiny mice Acomys cahirinusКомбинирование гистологического и транскриптомного подходов для аннотации клеточных типов немодельных организмов на примере иглистых мышей Acomys cahirinusFilatovN. S.ФилатовН. С.
Russian Federation
olga-sphinx@yandex.ruBilyalovA. I.БиляловА. И.
Russian Federation
olga-sphinx@yandex.ruGazizovaG. R.ГазизоваГ. Р.
Russian Federation
olga-sphinx@yandex.ruBilyalovaA. A.БиляловаА. А.
Russian Federation
olga-sphinx@yandex.ruShagimardanovaE. I.ШагимардановаЕ. И.
Russian Federation
olga-sphinx@yandex.ruVorontsovaM. V.ВоронцоваМ. В.
Russian Federation
olga-sphinx@yandex.ruKiyasovA. P.КиясовА. П.
Russian Federation
olga-sphinx@yandex.ruGusevO. A.ГусевО. А.
Russian Federation
olga-sphinx@yandex.ruKozlovaO. S.КозловаО. С.
Russian Federation
olga-sphinx@yandex.ruKazan (Volgaregion) Federal UniversityКазанский (Приволжский) федеральный университетLoginov Moscow Clinical Scientific CenterМосковский клинический научный центр им. А.С. ЛогиноваKazan (Volgaregion) Federal University, Russia 2Loginov Moscow Clinical Scientific Center,Казанский (Приволжский) федеральный университетМосковский клинический научный центр им. А.С. ЛогиноваLomonosov Moscow State UniversityМосковский государственный университет им. М.В. ЛомоносоваKazan (Volgaregion) Federal UniversityJuntendo University School of MedicineКазанский (Приволжский) федеральный университетLIFT Center LLCМедицинский факультет университета ДжунтендоООО “ЛИФТ центр”Kazan (Volgaregion) Federal UniversityКазанский (Приволжский) федеральный университет10092024609162426022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0016-6758/article/view/667195

In mammals, cartilage tissue has a low potential for regeneration. Typically, the defect site is replaced by connective tissue. The Acomys cahirinus mouse is a relatively new model for studying tissue regeneration processes, specifically the elastic cartilage of the auricle. To investigate the molecular genetic mechanisms responsible for these processes and gain insight into the cellular and tissue composition of the intact auricle, we utilized the method of single-cell RNA sequencing (scRNA-seq). This method enables quantification of gene expression in the sample and modeling of cell clustering based on expression profiles. This allows for assessment of sample heterogeneity in terms of specific cell populations. Annotation of cell types, particularly in non-model organisms, should be supported by classical morphological studies to allow for more detailed identification of cell populations. This is necessary to separate clusters of cells that are grouped statistically based on similar expression profiles of a group of genes into smaller subpopulations. The objective of this study was to annotate all cell types present in the intact Acomys cahirinus auricle using a combination of transcriptomic approaches and classical histology methods. The study resulted in the annotation of 24 cell clusters based on known marker genes and by comparing genetic and morphological data.

Хрящевая ткань у млекопитающих обладает низким потенциалом к восстановлению, как правило, место дефекта замещается соединительной тканью. Мышь Acomys cahirinus является одной из сравнительно новых моделей для изучения процессов регенерации тканей, в том числе эластического хряща ушной раковины. Для изучения молекулярно-генетических механизмов, ответственных за эти процессы, и получения базового представления о клеточном и тканевом составе интактной ушной раковины нами был выбран метод секвенирования РНК единичных клеток (scRNA-seq). Данный метод позволяет не просто количественно определить уровень экспрессии генов в образце в целом, но и смоделировать кластеризацию клеток в зависимости от профилей экспрессии, оценив тем самым гетерогенность образца с точки зрения присутствия в нем конкретных клеточных популяций. Подобная аннотация клеточных типов, особенно в случае немодельных организмов, нуждается в поддержке со стороны классических морфологических исследований, позволяющих более детально идентифицировать клеточные популяции, например разделять кластеры клеток, сгруппированные по статистическому принципу (на основании схожих профилей экспрессии группы генов), на более мелкие субпопуляции. Цель работы – проведение аннотации всех клеточных типов интактной ушной раковины Acomys cahirinus, используя комбинацию транскриптомного подхода и классических методов гистологии. В результате исследования, основываясь на известных маркерных генах, а также сопоставляя генетические и морфологические данные, были проаннотированы 24 клеточных кластера.

single cell sequencingAcomys cahirinuscell types annotationregenerationсеквенирование единичных клетокAcomys cahirinusаннотация клеточных типоврегенерацияМинистерство науки и высшего образования Российской ФедерацииMinistry of Science and Higher Education of the Russian Federation075-15-2021-1344Maden M., Varholick J.A. Model systems for regeneration: The spiny mouse, Acomys cahirinus// Development. 2020. V. 147. № 4. https://doi.org/10.1242/dev.167718Билялов А.И., Филимошина Д.Д., Филатов Н.С. и др. У мышей рода Acomys после травмы восстанавливается эластический хрящ ушной раковины // Гены и клетки. 2022. Т. 17. № 1. С. 42–47. (Bilyalov A.I., Filimoshina D.D., Filatov N.S. et al. In mice of the genus Acomys, the elastic cartilage of the auricle is restored after injury // Genes and cells. 2022. V. 17. № 1. P. 42–47.) https://doi.org/10.23868/202205003Kuksin M., Morel D., Aglave M. et al. Applications of single-cell and bulk RNA sequencing in onco-immunology // Eur. J. Cancer. 2021. V. 149. P. 193–210. https://doi.org/10.1016/j.ejca.2021.03.005Nguyen E.D., Fard V.N., Kim B.Y. et al. Genome report: Chromosome-scale genome assembly of the African spiny mouse (Acomys cahirinus) // bioRxiv 2023.04.03.535372. https://doi.org/10.1101/2023.04.03.535372Lun A.T.L., Riesenfeld S., Andrews T. et al. EmptyDrops: Distinguishing cells from empty droplets in droplet-based single-cell RNA sequencing data // Genome Biol. 2019. V. 20. № 1. P. 63. https://doi.org/10.1186/s13059-019-1662-yWolock S.L., Lopez R., Klein A.M. Scrublet: Computational identification of cell doublets in single-cell transcriptomic data // Cell Syst. 2019. V. 8. № 4. P. 281–291.e9. https://doi.org/10.1016/j.cels.2018.11.005Hao Y., Hao S., Andersen-Nissen E. et al. Integrated analysis of multimodal single-cell data // Cell. 2021. V. 184. № 13. P. 3573–3587. e29. https://doi.org/doi: 10.1016/j.cell.2021.04.048Bairati A., Comazzi M., Gioria M. A comparative study of perichondrial tissue in mammalian cartilages // Tissue Cell. 1996. V. 28. № 4. P. 455–468. https://doi.org/10.1016/s0040-8166(96)80031-0Treuting P.M., Dintzis S.M. 22 – Special senses: Ear // Comparative Anatomy and Histology, Acad. Press, 2012. P. 419–432. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-381361-9.00022-6Lefebvre V., Angelozzi M., Haseeb A. SOX9 in cartilage development and disease // Curr. Opin. Cell Biol. 2019. V. 61. P. 39–47. https://doi.org/10.1016/j.ceb.2019.07.008Dateki S. ACAN mutations as a cause of familial short stature // Clin. Pediatr. Endocrinol. 2017. V. 26. № 3. P. 119–125. https://doi.org/10.1297/cpe.26.119Batista M.A., Nia H.T., Önnerfjord P. et al. Nanomechanical phenotype of chondroadherin-null murine articular cartilage // Matrix Biol. 2014. V. 38. P. 84–90. https://doi.org/10.1016/j.matbio.2014.05.008Taylor S.E., Lee J., Smeriglio P. et al. Identification of human juvenile chondrocyte-specific factors that stimulate stem cell growth // Tissue Eng. Part A. 2016. V. 22. № 7–8. P. 645–653. https://doi.org/10.1089/ten.TEA.2015.0366Boot-Handford R.P., Tuckwell D.S. Fibrillar collagen: The key to vertebrate evolution? A tale of molecular incest // Bioessays. 2003. V. 25. № 2. P. 142–151. https://doi.org/10.1002/bies.10230Reed C.C., Iozzo R.V. The role of decorin in collagen fibrillogenesis and skin homeostasis // Glycoconj. J. 2002. V. 19. № 4–5. P. 249–255. https://doi.org/10.1023/A:1025383913444Billi A.C., Ma F., Plazyo O. et al. Nonlesional lupus skin contributes to inflammatory education of myeloid cells and primes for cutaneous inflammation // Sci. Transl. Med. 2022. V. 27. № 14. P. 642. https://doi.org/10.1126/scitranslmed.abn2263Wang S., Drummond M.L., Guerrero-Juarez C.F. et al. Single cell transcriptomics of human epidermis identifies basal stem cell transition states // Nat. Commun. 2020. V. 11. № 1. P. 4239. https://doi.org/10.1038/s41467-020-18075-7Alderson N.L., Maldonado E.N., Kern M.J. et al. FA2H-dependent fatty acid 2-hydroxylation in postnatal mouse brain // J. Lipid Res. 2006. V. 47. № 12. P. 2772–2780. https://doi.org/10.1194/jlr.M600362-JLR200Xu Y., Du X., Turner N. et al. Enhanced acyl-CoA: Cholesterol acyltransferase activity increases cholesterol levels on the lipid droplet surface and impairs adipocyte function // J. Biol. Chem. 2019. V. 294. № 50. P. 19306–19321. https://doi.org/10.1074/jbc.RA119.011160Shih B.B., Nirmal A.J., Headon D.J. et al. Derivation of marker gene signatures from human skin and their use in the interpretation of the transcriptional changes associated with dermatological disorders // J. Pathol. 2017. V. 241. № 5. P. 600–613. https://doi.org/10.1002/path.4864Polkoff K.M., Gupta N.K., Green A.J. et al. LGR5 is a conserved marker of hair follicle stem cells in multiple species and is present early and throughout follicle morphogenesis // Sci. Rep. 2022. V. 12. № 1. P. 9104. https://doi.org/10.1038/s41598-022-13056-wPark S., DiMaio T.A., Scheef E.A. et al. PECAM-1 regulates proangiogenic properties of endothelial cells through modulation of cell-cell and cell-matrix interactions // Am. J. Physiol. Cell Physiol. 2010. V. 299. № 6. P. 1468–1484. https://doi.org/10.1152/ajpcell.00246.2010Rossi E., Bernabeu C., Smadja D.M. Endoglin as an adhesion molecule in mature and progenitor endothelial cells: A function beyond TGF-β // Front. Med. 2019. V. 6. https://doi.org/10.3389/fmed.2019.00010Inoue M., Ishida T., Yasuda T. et al. Endothelial cell-selective adhesion molecule modulates atherosclerosis through plaque angiogenesis and monocyte-endothelial interaction // Microvasc. Res. 2010. V. 80. № 2. P. 179–187. https://doi.org/10.1016/j.mvr.2010.04.005Ma S.C., Li Q., Peng J.Y et al. Claudin-5 regulates blood-brain barrier permeability by modifying brain microvascular endothelial cell proliferation, migration, and adhesion to prevent lung cancer metastasis // CNS Neurosci. Theor. 2017. V. 23. № 12. P. 947–960. https://doi.org/10.1111/cns.12764Fajardo L.F. The complexity of endothelial cells. A review // Am. J. Clin. Pathol. 1989. V. 92. № 2. P. 241–250. https://doi.org/10.1093/ajcp/92.2.241Su H., Na N., Zhang X., Zhao Y. The biological function and significance of CD74 in immune diseases // Inflamm. Res. 2017. V. 66. № 3. P. 209–216. https://doi.org/10.1007/s00011-016-0995-1Stephens W.Z., Kubinak J.L., Ghazaryan A. et al. Epithelial-myeloid exchange of MHC class II constrains immunity and microbiota composition // Cell Rep. 2021. V. 37. № 5. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109916Hou W., Kong L., Hou Z., Ji H. CD44 is a prognostic biomarker and correlated with immune infiltrates in gastric cancer // BMC Med. Genomics. 2022. V. 15. № 1. P. 225. https://doi.org/10.1186/s12920-022-01383-wMuruganandam M., Ariza-Hutchinson A., Patel R.A., Sibbitt W.L. Jr. Biomarkers in the pathogenesis, diagnosis, and treatment of systemic sclerosis // J. Inflamm. Res. 2023. V. 16. P. 4633–4660. https://doi.org/10.2147/JIR.S379815Kendirli A., de la Rosa C., Lämmle K.F. et al. A genome-wide in vivo CRISPR screen identifies essential regulators of T cell migration to the CNS in a multiple sclerosis model // Nat. Neurosci. 2023. V. 26. № 10. P. 1713–1725. https://doi.org/10.1038/s41593-023-01432-2Kozina A.A., Baryshnikova N.V., Ilinskaya A.Y. et al. Novel mutation in the MPZ gene causes early-onset but slow-progressive Charcot-Marie-Tooth disease in a Russian family: A case report // J. Int. Med. Res. 2022. V. 50. № 12. https://doi.org/doi: 10.1177/03000605221139718Smirnova E.V., Rakitina T.V., Ziganshin R.H. et al. Comprehensive atlas of the myelin basic protein interaction landscape // Biomolecules. 2021. V. 11. № 11. https://doi.org/10.3390/biom11111628Kim D., An H., Fan C., Park Y. Identifying oligodendrocyte enhancers governing Plp1 expression // Hum. Mol. Genet. 2021. V. 30. № 23. P. 2225–2239. https://doi.org/10.1093/hmg/ddab184Ruan J., Zhang L., Hu D. et al. Novel Myh11 dual reporter mouse model provides definitive labeling and identification of smooth muscle cells-brief report // Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 2021. V. 41. № 2. P. 815–821. https://doi.org/10.1161/ATVBAHA.120.315107Goding C.R., Arnheiter H. MITF-the first 25 years // Genes Dev. 2019. V. 33. № 15–16. P. 983–1007. https://doi.org/10.1101/gad.324657.119Кичигина Т.Н., Грушин В.Н., Беликова И.С., Мяделец О.Д. Меланоциты: строение, функции, методы выявления, роль в кожной патологии // Вестн. Витебского гос. мед. ун-та. 2007. Т. 6. № 4. С. 5–16. https://elib.vsmu.by/handle/123/8528Jeong J., Han W., Hong E. et al. Regulation of NLGN3 and the synaptic Rho-GEF signaling pathway by CDK5 // J. Neurosci. 2023. V. 43. № 44. P. 7264–7275. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2309-22.2023Sato S., Suzuki Y., Kikuchi M. et al. Sputum neurturin levels in adult asthmatic subjects // J. Asthma Allergy. 2023. V. 16. P. 889–901. https://doi.org/10.2147/JAA.S421742