鉴定特定类型细胞的必需基因并阐明其功能对于理解这种细胞的生物学特性具有重要意义。然而,迄今为止依然没有一种方法可以对特定类型细胞的必需基因进行高效的鉴定。已有研究表明同一类型细胞的单细胞之间基因表达谱具有明显异质性。因此我们推测在同一类型的所有细胞中均表达的基因是该类细胞的必需基因,这些基因或者是维持细胞本身的基本生命活动和生存所需的管家基因,或者是该细胞类型所特有的、维持生物体生存或繁殖必需的特定结构和功能的细胞特异性必需基因。与之相反,只在某类型细胞的部分细胞中表达的基因很可能是随机表达的非必需基因。据此,我们推测单细胞RNA-seq可以用于特定类型细胞的必需基因的高通量鉴定。在本研究中,我们通过FluidigmC1单细胞捕获和cDNA制备平台,获得小鼠肾小球单细胞cDNA样品,并对其中14个系膜细胞和20个足细胞cDNA样品进行了测序分析。14个系膜细胞的测序结果表明任意两个系膜细胞间的基因表达谱存在极其显著的差异,相关系数仅为0.2±0.045(MEAN±SD)。因此,大部分基于系膜细胞群检测到的基因表达实际上仅发生在部分细胞,它们可能并不是系膜细胞必需基因。我们共发现1045个在每个细胞中都表达的基因(RPKM>0),并推测它们可能是系膜细胞必需基因。GO分析显示在这1045个基因中与内皮细胞相关的基因显著富集,提示系膜细胞具有管周细胞的特性。在58个与内皮细胞相关的基因中,18个编码分泌型蛋白,可能直接参与维持内皮细胞的稳态。这18个基因中有 11 个(ANGPT2、ANXA5、AXL、ECM1、ENG、FN1、MFGE8、MSN、NRP1、SERPINE2、SPARC)在多种肾小球疾病中表达上调,2个(APOE和FGF1)下调。我们还发现这1045个基因中富集了与系膜细胞其它已知功能相关的基因。此外,在这1045个基因中,有173个基因主要在系膜细胞表达,可能是系膜细胞特异的必需基因。最后,我们还发现部分系膜细胞表达足细胞和内皮细胞常用的标志物,包括 WT1、TEK/TIE2、KDR/FLK1、FLT1/NEGFR1 和 CD34 等,提示它们并非足细胞或内皮细胞特有的标志物。总之,通过对14个系膜细胞测序结果的分析,我们发现内皮细胞功能相关基因以及其他已知系膜细胞功能相关基因的富集,首次从转录组水平证实了系膜细胞是特殊的管周细胞这一推测,为系膜细胞其它已知功能提供了分子证据。这些结果也验证了我们提出的“在同一类型的所有细胞中共同表达的基因是该类型细胞的必需基因”的假说。细胞必需基因包括管家基因和该类细胞特有的必需基因。区分某一类型细胞中的这两类基因应该可以通过与其它类型细胞比较而实现,即在其它类型细胞共同表达的基因可能是管家基因,而仅在该类型细胞中表达的基因可能是其特有的必需基因,负责该类细胞特定的重要结构和功能。为了验证这一假设,我们对20个足细胞的测序结果进行分析。足细胞的单细胞测序分析结果同样揭示了任意两个足细胞间基因表达的巨大差异,相关系数为0.27±0.035(MEAN±SD)。我们总共发现335个20个足细胞共同表达的基因(RPKM>0.5),即足细胞必需基因。在这335个基因中,有239个同样在肾小球系膜细胞和内皮细胞中表达,GO分析发现它们主要参与能量代谢、蛋白质合成等生物学过程,因而是管家基因。此外,92个基因主要在足细胞中表达;为验证它们是足细胞特异的必需基因,我们通过多种方法对其进行分析,包括生物信息学分析、在人类足细胞中表达保守性的检验、与肾脏损伤/疾病的相关性分析、以及已知足细胞必需基因富集分析等,所有结果都支持这92个基因是足细胞特异的必需基因这一推测。为了从功能上验证这些基因对足细胞的重要性,我们在体外培养的足细胞中利用siRNA敲低了部分基因,并检测在足细胞结构中起着关键作用的细胞骨架,结果发现37个基因敲低中有30个造成了足细胞骨架的损伤。这些基因包括FGFR1、IFT80、AOX1、MYOM2、AIF1L、ANXA4、HAUS8、RAB3B、LPIN2、GOLIM4、CERS6、CYB5R4、ARHGEF18、ARPC1A、GPC1、MPP5、SRGAP1、ZNF277、ITGB5、ILDR2、NSF、TSC22D1、DNAJC11、ITGAV、SEPT10、MOCS2、FNBP1L、CRYAB、MTSS1以及TMOD3。总之,通过对20个足细胞的单细胞测序分析,我们不仅发现大量新的足细胞特异的必需基因,并且发现它们主要参与足细胞骨架的形成和稳定,与足细胞特有的结构和生物学功能相一致。这些结果再一次证明了我们的假设以及研究策略的正确性。综上所述,通过对肾小球系膜细胞和足细胞的单细胞RNA测序分析,采用创新的研究策略,我们鉴定了一批新的系膜细胞和足细胞功能相关必需基因,加深了我们对肾小球系膜细胞和足细胞生物学的理解;同时证实了我们研究策略的可行性以及高效性。这一研究策略应该适用于其它任何细胞类型。