2020年8月單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組精選文章集錦

發(fā)稿時(shí)間：2020-09-01來(lái)源：天昊生物

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

在由嚴(yán)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(yán)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(xiàng)研究對(duì)5例健康獻(xiàn)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(duì)的中度患者)的外周血標(biāo)本進(jìn)行了單細(xì)胞RNA測(cè)序（方法：10x Genomics，樣本和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下圖所示）。通過(guò)確定免疫細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組特征，結(jié)合組裝好的T細(xì)胞受體和B細(xì)胞受體序列，分析免疫細(xì)胞的功能特性。COVID-19患者的大多數(shù)細(xì)胞類(lèi)型均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的干擾素-α反應(yīng)和整體的急性炎癥反應(yīng)。此外，高細(xì)胞毒性效應(yīng)T細(xì)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(qiáng)化擴(kuò)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(yán)重的免疫衰竭，T細(xì)胞受體庫(kù)傾斜和廣泛的T細(xì)胞擴(kuò)張。這些發(fā)現(xiàn)說(shuō)明了疾病進(jìn)展過(guò)程中免疫反應(yīng)的動(dòng)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(yán)重疾病和呼吸衰竭。輕度保護(hù)性免疫的機(jī)制和嚴(yán)重COVID-19的發(fā)病機(jī)制，與中性粒細(xì)胞計(jì)數(shù)增加和免疫應(yīng)答異常相關(guān)尚不清楚。在這項(xiàng)雙中心、雙隊(duì)列研究中，結(jié)合全血和外周血單核細(xì)胞的單細(xì)胞RNA測(cè)序和單細(xì)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(shí)間進(jìn)展中免疫細(xì)胞組成和激活變化（樣本和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(xì)胞在輕度COVID-19中升高。嚴(yán)重的COVID-19以中性粒細(xì)胞前體的出現(xiàn)為標(biāo)志，作為緊急的骨髓細(xì)胞生成、功能失調(diào)的成熟中性粒細(xì)胞和HLA-DR^lo單核細(xì)胞的證據(jù)。這項(xiàng)研究提供了對(duì)SARS-CoV-2感染的系統(tǒng)免疫應(yīng)答的詳細(xì)信息，并揭示了與嚴(yán)重的COVID-19相關(guān)的髓細(xì)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(méi)有完全被了解。對(duì)轉(zhuǎn)移性肺癌進(jìn)行單細(xì)胞RNA測(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下圖所示），樣本分為靶向治療前、治療中及進(jìn)展期三個(gè)時(shí)間點(diǎn)。20000多個(gè)腫瘤和腫瘤微環(huán)境(TME)單細(xì)胞圖譜顯示了一個(gè)豐富而動(dòng)態(tài)的腫瘤生態(tài)系統(tǒng)。腫瘤細(xì)胞的scRNA-seq發(fā)現(xiàn)的靶向癌基因超出了臨床檢測(cè)到的。疾病殘留期(RD)治療后存活的癌細(xì)胞表達(dá)了肺泡再生細(xì)胞特征，提示治療誘導(dǎo)了原始細(xì)胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，而在治療進(jìn)展期(PD)那些細(xì)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(xì)胞活躍和巨噬細(xì)胞減少，PD表現(xiàn)為免疫抑制細(xì)胞狀態(tài)。scRNA-seq揭示的生物學(xué)特征在獨(dú)立的隊(duì)列中可以作為臨床結(jié)果的生物標(biāo)記。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了轉(zhuǎn)移性癌癥的多細(xì)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(xì)胞可以在黑素細(xì)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(xiàng)研究使用單細(xì)胞RNA測(cè)序(RNA-seq)研究了10個(gè)黑素瘤培養(yǎng)物，以及使用bulk RNA-seq研究了另外26個(gè)培養(yǎng)物。盡管每種培養(yǎng)都顯示出一個(gè)獨(dú)特的轉(zhuǎn)錄組，但是確定了隱藏在極端黑素細(xì)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(dú)特的染色質(zhì)圖譜所證實(shí)，并受轉(zhuǎn)錄因子SOX6、NFATC2、EGR3、ELF1和ETV4控制。單細(xì)胞遷移實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種狀態(tài)的中間遷移表型。通過(guò)對(duì)SOX10基因敲除后的單細(xì)胞進(jìn)行時(shí)間系列采樣，揭示了在表型轉(zhuǎn)換過(guò)程中GRN的周期性動(dòng)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(dú)特而穩(wěn)定的混合GRN驅(qū)動(dòng)，而不是一種共生的異質(zhì)性的細(xì)胞混合。

目的：最近批準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：檢測(cè)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(dá)模式，這些腫瘤來(lái)自于殘余疾病(RD)患者。檢測(cè)了TIME基因表達(dá)模式的變化與無(wú)復(fù)發(fā)(RFS)和總生存率(OS)的相關(guān)性。此外，試圖通過(guò)PD-1HI CD8+外周血T細(xì)胞的單細(xì)胞分析和全血溶細(xì)胞基因特征來(lái)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(dá)變化均與RFS或OS無(wú)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(zhǎng)期預(yù)后改善相關(guān)。乳腺癌患者在手術(shù)時(shí)外周血中出現(xiàn)的高細(xì)胞毒性T細(xì)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(fù)擔(dān)。結(jié)論：研究確定了NAC對(duì)腫瘤免疫微環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)TNBC對(duì)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(xì)胞毒性基因的表達(dá)，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(biāo)志物。

這項(xiàng)研究描述了人類(lèi)黑質(zhì)（SN）的單核（single-nuclei）轉(zhuǎn)錄組圖譜，通過(guò)對(duì)配對(duì)的皮層和SN樣本中大約17000個(gè)核進(jìn)行測(cè)序。結(jié)果發(fā)現(xiàn)帕金森病(PD)的常見(jiàn)遺傳風(fēng)險(xiǎn)與多巴胺能神經(jīng)元(DaN)特異性基因表達(dá)有關(guān)，包括線(xiàn)粒體功能、蛋白質(zhì)折疊和泛素化途徑。PD風(fēng)險(xiǎn)和少突細(xì)胞特異性基因表達(dá)之間有一種獨(dú)特的細(xì)胞類(lèi)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(xiǎn)與小膠質(zhì)細(xì)胞或星形膠質(zhì)細(xì)胞之間沒(méi)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(dá)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(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞前體的共享位點(diǎn)。該圖譜通過(guò)將SN細(xì)胞類(lèi)型表達(dá)譜與特定疾病風(fēng)險(xiǎn)聯(lián)系起來(lái)，能夠指導(dǎo)我們對(duì)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(xiǎn)因素，如APOE和TREM2，是如何與人體組織中細(xì)胞對(duì)淀粉樣蛋白的反應(yīng)相互影響目前還不完全清楚。對(duì)帶有不同APOE和TREM2基因型和神經(jīng)病理學(xué)的死后人類(lèi)大腦樣本進(jìn)行單核RNA測(cè)序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了不同的小膠質(zhì)細(xì)胞亞群，包括CD163陽(yáng)性淀粉樣反應(yīng)小膠質(zhì)細(xì)胞(ARM)亞群，這些亞群在APOE和TREM2風(fēng)險(xiǎn)變異的個(gè)體中是消失的。研究人員進(jìn)而在擴(kuò)大的AD病例隊(duì)列中驗(yàn)證了單核RNA測(cè)序結(jié)果，證明APOE和TREM2風(fēng)險(xiǎn)變異與CD163陽(yáng)性淀粉樣反應(yīng)小膠質(zhì)細(xì)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(xì)胞反應(yīng)，并強(qiáng)調(diào)了遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素如何影響細(xì)胞對(duì)潛在病理的反應(yīng)。

有抗原經(jīng)驗(yàn)的結(jié)腸淋巴細(xì)胞，如組織駐留記憶CD8+ T細(xì)胞，可對(duì)反復(fù)抗原暴露迅速反應(yīng)。然而，它們的細(xì)胞表型以及它們驅(qū)動(dòng)免疫調(diào)節(jié)和炎癥的機(jī)制尚不清楚。這項(xiàng)研究使用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組、T細(xì)胞受體庫(kù)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(lèi)結(jié)腸CD8+ T細(xì)胞的圖譜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)CD8+ T細(xì)胞組成存在廣泛的異質(zhì)性，包括擴(kuò)張效應(yīng)細(xì)胞和后效應(yīng)終末分化的CD8+ T細(xì)胞。雖然UC相關(guān)的CD8+效應(yīng)T細(xì)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(xì)胞獲得先天特征，可以發(fā)揮調(diào)節(jié)功能，從而減輕過(guò)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(xì)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(xì)胞表達(dá)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(xiǎn)?；且环N致癌風(fēng)險(xiǎn)增加的癌前病變，但炎癥誘發(fā)化生的機(jī)制尚不清楚。我們研究了慢性胃炎上皮化生小鼠粘膜頸細(xì)胞和主細(xì)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(xì)胞RNA測(cè)序(scRNA-seq)數(shù)據(jù)，以定義來(lái)自健康BALB/c小鼠(對(duì)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(gè)上皮細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組。B6小鼠經(jīng)幽門(mén)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(lèi)患者的胃組織，以驗(yàn)證蛋白水平上的發(fā)現(xiàn)。利用擬時(shí)軌跡分析scRNA-seq數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)慢性炎癥胃中正常上皮細(xì)胞向化生上皮細(xì)胞的分化。

結(jié)果：胃上皮轉(zhuǎn)錄組分析顯示，胃動(dòng)蛋白3(Gkn3) mRNA是小鼠胃體上皮化生(SPEM)的特異性標(biāo)記。正常胃體未檢測(cè)到Gkn3 mRNA；它在慢性炎癥胃中(來(lái)自TxA23小鼠和幽門(mén)螺桿菌感染小鼠)的表達(dá)發(fā)現(xiàn)了比以前更多的化生細(xì)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(xì)胞和主細(xì)胞都有不同的轉(zhuǎn)錄組，但在慢性炎癥胃中，這些細(xì)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(shí)軌跡分析證實(shí)了粘膜頸細(xì)胞和主細(xì)胞會(huì)聚為化生前表型，最終進(jìn)展為化生。

結(jié)論：在對(duì)小鼠和人的慢性炎癥胃組織的分析中，我們擴(kuò)大了胃上皮化生的定義，包括了胃體中的Gkn3 mRNA和Gkn3陽(yáng)性細(xì)胞，從而可以更準(zhǔn)確地評(píng)估SPEM。在慢性炎癥的情況下，主細(xì)胞和粘膜頸細(xì)胞是可塑的，并會(huì)聚為一種前化生細(xì)胞類(lèi)型，進(jìn)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(xì)胞起源難以確定。使用單細(xì)胞RNA測(cè)序，該研究分析了33名不同疾病活度的SLE患兒和11個(gè)匹配對(duì)照的外周血中約276,000個(gè)單核細(xì)胞。干擾素刺激基因(ISGs)表達(dá)的增加將SLE患兒的細(xì)胞與健康對(duì)照細(xì)胞區(qū)分開(kāi)來(lái)。ISG高表達(dá)特征(ISG^hi)在主要細(xì)胞類(lèi)型中來(lái)源于一類(lèi)少數(shù)轉(zhuǎn)錄定義的亞群，包括單核細(xì)胞、CD4+和CD8+ T細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞、常規(guī)樹(shù)突細(xì)胞和漿細(xì)胞樣樹(shù)突細(xì)胞、B細(xì)胞，特別是漿細(xì)胞。ISGs和/或單基因狼瘡相關(guān)基因中富集的獨(dú)特亞群的擴(kuò)張將疾病活動(dòng)性最高的患者分類(lèi)。對(duì)來(lái)自成年SLE患者的約82,000個(gè)單核細(xì)胞的分析證實(shí)了在疾病活動(dòng)性最高的患者中類(lèi)似亞群的擴(kuò)張。本研究為解決系統(tǒng)性紅斑狼瘡轉(zhuǎn)錄特征的來(lái)源和疾病異質(zhì)性向精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。