2020年8月單細胞轉(zhuǎn)錄組精選文章集錦

發(fā)稿時間：2020-09-01來源：天昊生物

我們精選了8月份應(yīng)用了單細胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)的10篇文獻供大家閱讀欣賞：

在由嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2 (SARS-CoV-2)感染引起的2019冠狀病毒病(COVID-19)中，疾病嚴重程度與宿主免疫應(yīng)答之間的關(guān)系尚不完全清楚。這項研究對5例健康獻血者和13例COVID-19患者(包括7例中度、4例重度和6例恢復(fù)期患者，恢復(fù)期患者中包含4例配對的中度患者)的外周血標本進行了單細胞RNA測序（方法：10x Genomics，樣本和實驗設(shè)計如下圖所示）。通過確定免疫細胞的轉(zhuǎn)錄組特征，結(jié)合組裝好的T細胞受體和B細胞受體序列，分析免疫細胞的功能特性。COVID-19患者的大多數(shù)細胞類型均表現(xiàn)出強烈的干擾素-α反應(yīng)和整體的急性炎癥反應(yīng)。此外，高細胞毒性效應(yīng)T細胞亞群如CD4+效應(yīng)因子-GNLY(顆粒溶素)、CD8+效應(yīng)因子-GNLY和NKT CD160的強化擴張與中度患者的恢復(fù)相關(guān)。在重癥患者中，免疫圖譜表現(xiàn)為干擾素反應(yīng)紊亂，嚴重的免疫衰竭，T細胞受體庫傾斜和廣泛的T細胞擴張。這些發(fā)現(xiàn)說明了疾病進展過程中免疫反應(yīng)的動態(tài)性質(zhì)。

2019冠狀病毒病(COVID-19)是一種輕度至中度呼吸道感染，然而，有一部分患者發(fā)展為嚴重疾病和呼吸衰竭。輕度保護性免疫的機制和嚴重COVID-19的發(fā)病機制，與中性粒細胞計數(shù)增加和免疫應(yīng)答異常相關(guān)尚不清楚。在這項雙中心、雙隊列研究中，結(jié)合全血和外周血單核細胞的單細胞RNA測序和單細胞蛋白質(zhì)組學(xué)，以確定輕度和重度COVID-19患者(109例的242份樣本)隨時間進展中免疫細胞組成和激活變化（樣本和實驗設(shè)計如下圖所示）。具有干擾素刺激基因特征的HLA-DR^hiCD11c^hi炎癥單核細胞在輕度COVID-19中升高。嚴重的COVID-19以中性粒細胞前體的出現(xiàn)為標志，作為緊急的骨髓細胞生成、功能失調(diào)的成熟中性粒細胞和HLA-DR^lo單核細胞的證據(jù)。這項研究提供了對SARS-CoV-2感染的系統(tǒng)免疫應(yīng)答的詳細信息，并揭示了與嚴重的COVID-19相關(guān)的髓細胞的深刻改變。

肺癌是導(dǎo)致癌癥死亡率的主要原因，它表現(xiàn)出的異質(zhì)性使其具有適應(yīng)性，限制了治療的成功，而且仍然沒有完全被了解。對轉(zhuǎn)移性肺癌進行單細胞RNA測序(scRNA-seq)，采用30名患者在靶向治療前和治療期間的49份臨床活檢樣本（樣本和實驗設(shè)計如下圖所示），樣本分為靶向治療前、治療中及進展期三個時間點。20000多個腫瘤和腫瘤微環(huán)境(TME)單細胞圖譜顯示了一個豐富而動態(tài)的腫瘤生態(tài)系統(tǒng)。腫瘤細胞的scRNA-seq發(fā)現(xiàn)的靶向癌基因超出了臨床檢測到的。疾病殘留期(RD)治療后存活的癌細胞表達了肺泡再生細胞特征，提示治療誘導(dǎo)了原始細胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，而在治療進展期(PD)那些細胞則上調(diào)了犬尿氨酸、血纖維蛋白溶酶原和間隙連接通路。RD表現(xiàn)為T淋巴細胞活躍和巨噬細胞減少，PD表現(xiàn)為免疫抑制細胞狀態(tài)。scRNA-seq揭示的生物學(xué)特征在獨立的隊列中可以作為臨床結(jié)果的生物標記。這項研究強調(diào)了轉(zhuǎn)移性癌癥的多細胞生態(tài)系統(tǒng)的治療誘導(dǎo)適應(yīng)性是如何最終形成臨床結(jié)果。

黑素瘤細胞可以在黑素細胞和間充質(zhì)樣狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。零散的證據(jù)表明可能存在額外的中間狀態(tài)。為了尋找這種狀態(tài)并破解其潛在的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)(GRN)，這項研究使用單細胞RNA測序(RNA-seq)研究了10個黑素瘤培養(yǎng)物，以及使用bulk RNA-seq研究了另外26個培養(yǎng)物。盡管每種培養(yǎng)都顯示出一個獨特的轉(zhuǎn)錄組，但是確定了隱藏在極端黑素細胞和間充質(zhì)狀態(tài)以及中間狀態(tài)下的共享的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這種中間狀態(tài)由獨特的染色質(zhì)圖譜所證實，并受轉(zhuǎn)錄因子SOX6、NFATC2、EGR3、ELF1和ETV4控制。單細胞遷移實驗證實了這種狀態(tài)的中間遷移表型。通過對SOX10基因敲除后的單細胞進行時間系列采樣，揭示了在表型轉(zhuǎn)換過程中GRN的周期性動態(tài)變化。綜上所述，這些分析表明存在一種中間狀態(tài)，并由一種獨特而穩(wěn)定的混合GRN驅(qū)動，而不是一種共生的異質(zhì)性的細胞混合。

目的：最近批準anti-PD-L1免疫療法聯(lián)合nab-紫杉醇治療轉(zhuǎn)移性三陰性乳腺癌(TNBC)，這凸顯了了解化療在調(diào)節(jié)腫瘤免疫微環(huán)境(TIME)中作用的必要性。

實驗設(shè)計：檢測了83例乳腺腫瘤(包括44例TNBCs)的新輔助化療(NAC)前后的免疫相關(guān)基因表達模式，這些腫瘤來自于殘余疾病(RD)患者。檢測了TIME基因表達模式的變化與無復(fù)發(fā)(RFS)和總生存率(OS)的相關(guān)性。此外，試圖通過PD-1HI CD8+外周血T細胞的單細胞分析和全血溶細胞基因特征來表征NAC的全身效應(yīng)。

結(jié)果：在非TNBC患者中，任何單一基因的表達變化均與RFS或OS無關(guān)，而在TNBC患者中，多種免疫相關(guān)基因和基因集的上調(diào)與長期預(yù)后改善相關(guān)。乳腺癌患者在手術(shù)時外周血中出現(xiàn)的高細胞毒性T細胞特征與持續(xù)的疾病和復(fù)發(fā)有關(guān)，提示積極的抗腫瘤免疫可能表明持續(xù)的疾病負擔。結(jié)論：研究確定了NAC對腫瘤免疫微環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)TNBC對NAC的免疫作用特別敏感，并且局部免疫基因/集的增加與改善預(yù)后相關(guān)。然而，外周血中細胞毒性基因的表達，與TIME相反，可能是導(dǎo)致持續(xù)微轉(zhuǎn)移性疾病最終復(fù)發(fā)的一種微創(chuàng)生物標志物。

這項研究描述了人類黑質(zhì)（SN）的單核（single-nuclei）轉(zhuǎn)錄組圖譜，通過對配對的皮層和SN樣本中大約17000個核進行測序。結(jié)果發(fā)現(xiàn)帕金森病(PD)的常見遺傳風(fēng)險與多巴胺能神經(jīng)元(DaN)特異性基因表達有關(guān)，包括線粒體功能、蛋白質(zhì)折疊和泛素化途徑。PD風(fēng)險和少突細胞特異性基因表達之間有一種獨特的細胞類型關(guān)聯(lián)。與阿爾茨海默病(AD)不同，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PD風(fēng)險與小膠質(zhì)細胞或星形膠質(zhì)細胞之間沒有關(guān)聯(lián)，這表明神經(jīng)炎癥在PD中起的因果作用小于AD。除了PD，發(fā)現(xiàn)SN DaNs和GABAergic神經(jīng)元基因表達與多種神經(jīng)精神疾病之間存在關(guān)聯(lián)。條件分析顯示，不同的神經(jīng)精神疾病與不同的神經(jīng)元特異性基因集有關(guān)，但匯聚到少突膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞前體的共享位點。該圖譜通過將SN細胞類型表達譜與特定疾病風(fēng)險聯(lián)系起來，能夠指導(dǎo)我們對病因?qū)W的理解。

淀粉樣蛋白沉積是阿爾茨海默病(AD)的典型特征。遺傳風(fēng)險因素，如APOE和TREM2，是如何與人體組織中細胞對淀粉樣蛋白的反應(yīng)相互影響目前還不完全清楚。對帶有不同APOE和TREM2基因型和神經(jīng)病理學(xué)的死后人類大腦樣本進行單核RNA測序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了不同的小膠質(zhì)細胞亞群，包括CD163陽性淀粉樣反應(yīng)小膠質(zhì)細胞(ARM)亞群，這些亞群在APOE和TREM2風(fēng)險變異的個體中是消失的。研究人員進而在擴大的AD病例隊列中驗證了單核RNA測序結(jié)果，證明APOE和TREM2風(fēng)險變異與CD163陽性淀粉樣反應(yīng)小膠質(zhì)細胞顯著減少相關(guān)。這一結(jié)果展示了AD中不同的小膠質(zhì)細胞反應(yīng)，并強調(diào)了遺傳風(fēng)險因素如何影響細胞對潛在病理的反應(yīng)。

有抗原經(jīng)驗的結(jié)腸淋巴細胞，如組織駐留記憶CD8+ T細胞，可對反復(fù)抗原暴露迅速反應(yīng)。然而，它們的細胞表型以及它們驅(qū)動免疫調(diào)節(jié)和炎癥的機制尚不清楚。這項研究使用單細胞轉(zhuǎn)錄組、T細胞受體庫分析和質(zhì)譜流式，繪制了健康和潰瘍性結(jié)腸炎(UC)中人類結(jié)腸CD8+ T細胞的圖譜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)CD8+ T細胞組成存在廣泛的異質(zhì)性，包括擴張效應(yīng)細胞和后效應(yīng)終末分化的CD8+ T細胞。雖然UC相關(guān)的CD8+效應(yīng)T細胞可以觸發(fā)組織破壞并產(chǎn)生腫瘤壞死因子(TNF)-α，但后效應(yīng)細胞獲得先天特征，可以發(fā)揮調(diào)節(jié)功能，從而減輕過度炎癥。因此，這一研究發(fā)現(xiàn)了健康和UC中的結(jié)腸CD8+ T細胞表型，定義了它們的克隆關(guān)系，并表征了終末分化的功能失調(diào)UC CD8+ T細胞表達IL-26，其在人源IL-26轉(zhuǎn)基因小鼠模型中減輕了急性結(jié)腸炎。

背景&目的：慢性萎縮性胃炎可導(dǎo)致胃上皮化生，增加胃腺癌發(fā)生的風(fēng)險。化生是一種致癌風(fēng)險增加的癌前病變，但炎癥誘發(fā)化生的機制尚不清楚。我們研究了慢性胃炎上皮化生小鼠粘膜頸細胞和主細胞的轉(zhuǎn)錄程序。

方法：我們分析了之前生成的胃體上皮的單細胞RNA測序(scRNA-seq)數(shù)據(jù)，以定義來自健康BALB/c小鼠(對照組)和TxA23小鼠(這些小鼠患有慢性胃炎癥并上皮化生)的單個上皮細胞的轉(zhuǎn)錄組。B6小鼠經(jīng)幽門螺桿菌感染后發(fā)生慢性胃炎。用免疫熒光法分析小鼠和人類患者的胃組織，以驗證蛋白水平上的發(fā)現(xiàn)。利用擬時軌跡分析scRNA-seq數(shù)據(jù)預(yù)測慢性炎癥胃中正常上皮細胞向化生上皮細胞的分化。

結(jié)果：胃上皮轉(zhuǎn)錄組分析顯示，胃動蛋白3(Gkn3) mRNA是小鼠胃體上皮化生(SPEM)的特異性標記。正常胃體未檢測到Gkn3 mRNA；它在慢性炎癥胃中(來自TxA23小鼠和幽門螺桿菌感染小鼠)的表達發(fā)現(xiàn)了比以前更多的化生細胞。健康和患者胃組織樣本的染色與這些結(jié)果相吻合。雖然健康胃粘膜頸細胞和主細胞都有不同的轉(zhuǎn)錄組，但在慢性炎癥胃中，這些細胞有不同的轉(zhuǎn)錄模式，它們聚集在一種化生前模式上，其缺乏化生相關(guān)的轉(zhuǎn)錄本。最后，擬時軌跡分析證實了粘膜頸細胞和主細胞會聚為化生前表型，最終進展為化生。

結(jié)論：在對小鼠和人的慢性炎癥胃組織的分析中，我們擴大了胃上皮化生的定義，包括了胃體中的Gkn3 mRNA和Gkn3陽性細胞，從而可以更準確地評估SPEM。在慢性炎癥的情況下，主細胞和粘膜頸細胞是可塑的，并會聚為一種前化生細胞類型，進而發(fā)展為上皮化生。

系統(tǒng)性紅斑狼瘡(SLE)患者顯示出復(fù)雜的血液轉(zhuǎn)錄組，其細胞起源難以確定。使用單細胞RNA測序，該研究分析了33名不同疾病活度的SLE患兒和11個匹配對照的外周血中約276,000個單核細胞。干擾素刺激基因(ISGs)表達的增加將SLE患兒的細胞與健康對照細胞區(qū)分開來。ISG高表達特征(ISG^hi)在主要細胞類型中來源于一類少數(shù)轉(zhuǎn)錄定義的亞群，包括單核細胞、CD4+和CD8+ T細胞、自然殺傷細胞、常規(guī)樹突細胞和漿細胞樣樹突細胞、B細胞，特別是漿細胞。ISGs和/或單基因狼瘡相關(guān)基因中富集的獨特亞群的擴張將疾病活動性最高的患者分類。對來自成年SLE患者的約82,000個單核細胞的分析證實了在疾病活動性最高的患者中類似亞群的擴張。本研究為解決系統(tǒng)性紅斑狼瘡轉(zhuǎn)錄特征的來源和疾病異質(zhì)性向精準醫(yī)學(xué)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。