單細胞RNA測序揭示人類結(jié)核肺組織細胞異質(zhì)性和細胞間串?dāng)_

       近日，公共衛(wèi)生中心胸外科主任宋言崢教授團隊在Journal of Infection發(fā)表題為“Single-cell RNA-sequencing reveals heterogeneity and intercellular crosstalk in human tuberculosis lung”的研究論文，該研究由上海生物芯片有限公司（生物芯片上海國家工程研究中心）提供部分支持。

       肺結(jié)核患者的肺部炎癥與疾病的嚴重程度以及治療后復(fù)發(fā)風(fēng)險有關(guān)，能夠通過18F-氟脫氧葡萄糖（18F-FDG）進行評估。本研究通過對6例結(jié)核病患者18F-FDG高親和力的肺組織以及鄰近未累及的肺組織進行單細胞RNA測序，研究肺結(jié)核患者細胞異質(zhì)性和細胞間的串?dāng)_。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，結(jié)核肺組織內(nèi)含有調(diào)節(jié)性T細胞（Treg）、耗竭性CD8⁺ T細胞、免疫抑制髓系細胞、常規(guī)樹突狀細胞（DC）、漿細胞樣DC細胞。在炎癥肺組織區(qū)域的免疫細胞中，ATP合成和干擾素介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)普遍上調(diào)，并且表達IL4I1 的髓系細胞和Treg細胞之間存在顯著的細胞互作�？傊�，本研究揭示了肺結(jié)核組織的轉(zhuǎn)錄組異質(zhì)性和細胞間串?dāng)_，為指導(dǎo)結(jié)核治療提供了潛在的細胞和分子靶點。

中文題目：單細胞RNA測序：揭示人類結(jié)核肺組織的細胞異質(zhì)性和細胞間串?dāng)_

發(fā)表時間：2023.09

期刊名稱：Journal of Infection

影響因子：28.2

實驗平臺：scRNA-seq、免疫熒光

研究內(nèi)容
 

Fig.1 結(jié)核肺的細胞圖譜
 

2. 與18F-FDG-avidity 以及結(jié)核感染相關(guān)的細胞組成和轉(zhuǎn)錄組的變化

       細胞比例分析發(fā)現(xiàn)，在結(jié)核肺組織中，所有巨噬細胞亞群以及兩種單核細胞亞群的細胞豐度明顯降低，而所有的DC亞群、淋巴細胞亞群以及肥大細胞群的細胞豐度明顯增加。其中，Treg是富集于high-18F-FDG-avidity結(jié)核肺組織的細胞類型（相比于low-18f-FDG-avidity結(jié)核肺組織）。

       轉(zhuǎn)錄譜分析發(fā)現(xiàn)，與未感染的供體肺相比，18F-FDG-avidity結(jié)核肺組織中的細胞類型中存在細胞類型特異性的轉(zhuǎn)錄改變。例如，在high-18F-FDG-avidity結(jié)核肺組織中，髓系亞群（LGMN-MΦ、 LAMP3-DC、 cDC、 AREG-MΦ, 和FCGR3A-Mono）中的上調(diào)基因最多。研究者進一步對high-18F-FDG-avidity結(jié)核肺、low-18F-FDG-avidity結(jié)核肺和供體肺（DONOR）進行兩兩比較，確定細胞類型特異性的差異基因。并進一步使用GSEA分析，確定這些差異基因的富集通路。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在LGMN-MΦ、CD163-MΦ和INHBA-MΦ中，富集的前幾個通路與補體激活和抗體介導(dǎo)的免疫應(yīng)答相關(guān)。

Fig.2 結(jié)核肺中的髓系細胞群

Fig.3 結(jié)核肺中的淋巴細胞群
 

3.確定與結(jié)核病進展和疾病相關(guān)基因表達的細胞類型

       通過比較肺結(jié)核患者的外周血中與肺組織中的差異基因，研究者發(fā)現(xiàn)在最初報道的外周血上調(diào)基因中，只有一部分在肺結(jié)核患者的肺中表達上調(diào)。與未感染的肺供體相比，在high-18F-FDG-avidity 結(jié)核肺和low-18F-FDG-avidity 結(jié)核肺中，都發(fā)現(xiàn)了一些結(jié)核病相關(guān)風(fēng)險基因在特定細胞類型中表達，包括：Treg（GBP5和GBP2），CD4（GBP5和STAT1），LGMN-MΦ（GBP5、 GBP1、STAT1 和 TAP1），AREG-MΦ（GBP1、STAT1和TAP1），CD163-MΦ（GBP5、GBP1和STAT1），LAMP3-DC（GBP1和STAT1）等。其中，具有免疫代謝特征基因（LAP3和WARS）僅在髓系亞群上調(diào)；LGMN-MΦ中纖維化基因（CHI3L1、MMP9、PLA2G7和IL1RN）表達的上調(diào)與結(jié)核病感染和high-18F-FDG高親和力有關(guān)。

Fig.4與結(jié)核病相關(guān)的基因在髓系細胞、淋巴細胞和肥大細胞中表達
 

4. 細胞間的相互作用網(wǎng)絡(luò)
       為了識別結(jié)核肺中免疫抑制髓系細胞和T細胞之間的細胞和分子相互作用網(wǎng)絡(luò)，研究者使用CellPhoneDB分析，識別細胞群之間的配體-受體相互作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，表達IL4I1的髓系細胞亞群（LAMP3-DC、AREG-MΦ、LGMN-MΦ和cDC）與Treg、CD8⁺和CD4⁺ T亞群之間的具有顯著細胞間相互作用。研究者預(yù)測LAMP3-DC可能通過CCL19介導(dǎo)的途徑將CD8⁺和CD4⁺ T細胞招募到結(jié)核肺中。

Fig.5結(jié)核肺中免疫抑制髓系細胞和T細胞之間的細胞互作

主要結(jié)論

       本文通過scRNA-seq，分析結(jié)核肺細胞組成，繪制了人類肺結(jié)核肺的單細胞圖譜。通過轉(zhuǎn)錄譜分析發(fā)現(xiàn)，免疫抑制的髓系細胞和Treg細胞是表達與結(jié)核病進展相關(guān)基因的主要細胞類型。進一步通過細胞互作分析發(fā)現(xiàn)，免疫抑制髓系細胞與Treg、耗竭性CD8⁺ T細胞和CD4⁺記憶/效應(yīng)T細胞存在潛在的相互作用�？傊�，本研究揭示了單細胞分辨率下結(jié)核肺免疫抑制生態(tài)位的分子細節(jié)，并且為了解結(jié)核病發(fā)展機制以及篩選治療靶點提供了見解。

參考文獻：

Wang L, Ma H, Wen Z, et al. Single-cell RNA-sequencing reveals heterogeneity and intercellular crosstalk in human tuberculosis lung [published online ahead of print, 2023 Sep 8]. J Infect. 2023;S0163-4453(23)00506-6. doi:10.1016/j.jinf.2023.09.004