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新冠研究客户文章 | 血液单细胞免疫谱揭示干扰素-MAPK通路介导COVID-19的免疫应答
发布日期:2020-04-01浏览:

晶能生物作为上海市政府认可的单细胞测序技术服务平台,秉持着科学抗疫,从专业技术领域帮助科研人员攻坚COVID-19的前沿研究。

今天给大家带来一篇我司客户:四川省人民医院,发表在MedRxiv上的研究论文《血液单细胞免疫谱揭示干扰素-MAPK通路介导COVID-19的免疫应答》

同时很荣幸的是,我司技术团队和四川省人民医院的专家共同完成了本次研究中心的单细胞测序和分析。

接下来,让我们一起阅读下这篇文章吧。

 

 

 

 

血液单细胞免疫谱揭示干扰素-MAPK通路介导COVID-19的免疫应答

Blood single cell immune profiling reveals the interferon-MAPK pathway
mediated adaptive immune response for COVID-19

 

 

杂志:medRxiv preprint

单位:四川省人民医院

日期:2020.3.17

 

 

摘要:

 

作者使用单细胞测序对5'mRNA、TCR和BCR V(D)J进行转录组分析,以揭示血细胞免疫反应特征。从16个参与者中共获得134620 个PBMCs、83387 TCR克隆、12,601 BCR克隆,聚类得到了56个细胞群和23个新的细胞标记基因。与对照组相比,患者的免疫细胞的特定亚型数量发生显著变化。干扰素-MAPK通路的激活是主要的防御机制,但MAPK转录信号在治愈的患者中被抑制。TCR和BCR V(D)J重组在产生不同抗SARS-CoV-2抗体方面差异很大。因此,干扰素-MAPK通路和TCR和BCR产生的抗体在COVID-19免疫反应中起着重要的作用。免疫缺陷或免疫过度反应可能导致COVID-19患者的病情加重。

 

研究背景:

COVID-19是正在出现的全球卫生问题,对我们的生命与财产造成极大的损失。科学家们也正在竭力研究该病毒,但目前来看其发病机制还不是完全清楚。人类免疫细胞及免疫分子在对抗病毒感染时起着关键作用,因此作者企图通过研究血液单细胞表达谱和免疫谱了解介导SARS-CoV-2免疫应答的机制。

 

研究思路:

 

主要结果:

1. 在PBMCs中鉴定出17种细胞类型

从四川省招募了16个志愿者,患病状态如下表所示。

 

从每个个体的全血中分离PBMCs。将所有样本的PBMCs进行10X单细胞表达谱和免疫谱测序分析,共获得134620 个PBMCs、83387 TCR克隆、12,601 BCR克隆。聚类得到56个细胞群,鉴定出17种细胞类型,包括CD4+ T细胞、CD8+ T细胞、CD1C+_B 树突细胞等。

 

 

图1 COVID-19患者和对照组体内PBMCs的细胞组成

 

2. COVID-19患者和对照组的细胞差异比较

 (1)细胞比例

8个COVID-19患者与3个正常个体比较,发现CD1C+_B 树突细胞 、CD8 细胞毒性T细胞, 浆细胞样树突细胞的比例增加,B细胞和CD4辅助性T细胞比例减少。

分别将危重、严重、中度、治愈的COVID-19患者与正常个体比较,发现危重患者的56个细胞群中有40个比例减少,另外CD8+ T细胞, CD4+ T 细胞,浆细胞样树突细胞消失,这些变化显示危重患者可能存在免疫缺陷。而在严重患者中,56个细胞群中有45个比例增加,说明可能存在免疫细胞过度应答。在中度患者中,各种细胞类型的比例在危重与严重患者之间。在治愈患者中,效应CD8记忆性 T细胞(Tem), 巨核祖细胞, CD1C+_B树突细胞,  CD141+CLEC9A+树突细胞明显减少。

(2)差异基因与通路分析

   将危重、严重、中度、治愈的COVID-19患者分别与正常个体比较,筛选每种细胞亚型的差异基因,并对差异基因做通路富集分析,结果显示显著富集的信号通路主要有病毒mRNA翻译,α/β相互作用信号,MAPK通路, 淋巴细胞与非淋巴细胞的免疫互作,

MHC II 蛋白复合体,说明针对这个病毒的抗原呈递被激活。

   在严重患者中,超过一半以上的细胞类型中18个信号通路明显被富集,重要的一个就是干扰素信号通路的过度激活,包括2’-5’-oligoadenylate synthase,type I interferon signaling pathway,interferon alpha/beta/gamma signaling。在其他患者中,干扰素信号也都有不同程度的激活。在治愈患者中,干扰素信号激活不明显,而病毒mRNA翻译是被抑制的,MAPK信号通路明显富集。另外,为了确认这些变化的信号通路是否对SARS-CoV-2有特异性,还分别比较了COVID-19患者与甲流患者、急性咽炎患者、脑梗患者,结果显示仍旧是以上通路被明显富集。总体来看,干扰素-MAPK信号通路是响应SARS-CoV-2感染的主要免疫反应通路。另外,通过比较患者与正常个体,发现干扰素信号基因显著上调,比如IFI27,IFITM1, IFITM3,IFI6。以上结果说明干扰素信号,特别是干扰素α/β/γ和I型干扰素在COVID-19患者体内明显激活。

 

   在干扰素信号的下游,发现MAPK信号通路转录因子--- FOS, JUN, JUNB,  DUSP1在危重、严重和重度患者中被激活,而在治愈患者中却相反。说明MAPK信号通路在治愈患者中是被抑制的,这可能代表了一种病人要恢复的信号。

 

图2 干扰素-MAPK是响应COVID-19感染的主要免疫反应通路

 

3. 病人TCR/BCR抗体克隆检测

    在16个个体共检测到83387个TCR克隆和12601个BCR克隆,TCR克隆在危重病人中最少(1232),严重病人中多一些(7161),中度病人中最多(20370),以上结果显示病情越严重,TCR克隆越少。对数量排名靠前的一些TCR抗体序列进行进化保守性分析,发现CASSEGVGTPFDEQFF (patient 2,严重), CASSLGLAGDLDEQFF 和

CASNQGLAGGRLYNEQFF (patient 4,中度), CASSQERGVYNEQFF (patient 6,中度),

CASSEVWASDHEQYF (patient 10,治愈)TCRα序列非常接近,说明这些抗体序列对SARS-CoV-2有特定的活性。与TCR相比,BCR克隆数量非常少,说明在患者中BCR抗体没有被强烈诱导。

   通过将数量排名靠前的一些TCR序列与已知抗原数据库比对,在COVID-19患者中,可以比对到EBV、HIV-1、influenza A、yellow fever、CMV等已知的RNA或DNA病毒。而在正常对照个体中,很少能监测到已知的病毒抗原。说明人类可能利用已知的免疫识别去抵抗COVID-19。

图3 COVID-19患者中TCR、BCR V(D)J克隆表达

 

4. RT-PCR验证干扰素-MAPK通路基因集的表达

   对前面检测到的被激活的干扰素-MAPK通路基因--IRF27, BST2, FOS进行验证,检测3个危重、3个严重、19个重度、3个轻症、10个治愈患者和5个正常对照的表达量,IFI27在所有患者中表达均明显上调。FOS在患者中表达上调,但在治愈患者中表达下调,因此可以将FOS作为患者治愈的潜在MARKER。另外,还通过免疫荧光检测了IFI27的蛋白水平,发现在所有患者中均高表达,而只在部分正常对照个体中有表达。

图4 干扰素-MAPK信号通路响应SARS-CoV-2感染的机制

结论:

通过呼吸系统感染SARS-CoV-2,病毒进入循环系统,导致血液免疫反应。参与免疫反应的细胞类型有很多,包括CD8+ T 细胞, CD8 cytotoxic T 细胞, CD4+ T 细胞, CD4+ cytotoxic T 细胞,CD1C+_B 树突细胞等。病毒到达免疫细胞后,可能主要是在AXL+SIGLEC6+ 树突细胞, CD4+ T细胞, naive CD8+ T细胞复制,从而激活多种细胞中的干扰素信号通路,产生效应因子-- IFI27, IFITM1,IFITM3来对抗病毒。紧接着MAPK信号通路的转录因子-- FOS, JUN, JUNB被激活,然后转录因子再激活下游MAPK信号通路,以此来抵抗病毒。

 

 

Blood single cell immune profiling reveals the interferon-MAPK pathway
mediated adaptive immune response for COVID-19

血液单细胞免疫谱揭示干扰素-MAPK通路介导COVID-19的免疫应答

Blood single cell immune profiling reveals the interferon-MAPK pathway
mediated adaptive immune response for COVID-19

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