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新冠研究客戶文章 | 血液單細胞免疫譜揭示干擾素-MAPK通路介導COVID-19的免疫應答
發布日期:2020-04-01瀏覽:

晶能生物作為上海市政府認可的單細胞測序技術服務平臺,秉持著科學抗疫,從專業技術領域幫助科研人員攻堅COVID-19的前沿研究。

今天給大家帶來一篇我司客戶:四川省人民醫院,發表在MedRxiv上的最新研究論文《血液單細胞免疫譜揭示干擾素-MAPK通路介導COVID-19的免疫應答》。

同時很榮幸的是,我司技術團隊和四川省人民醫院的專家共同完成了本次研究中心的單細胞測序和分析。

接下來,讓我們一起閱讀下這篇文章吧。

 

 

 

 

 

 

 

血液單細胞免疫譜揭示干擾素-MAPK通路介導COVID-19的免疫應答

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

 

 

雜志:medRxiv preprint

單位:四川省人民醫院

日期:2020.3.17

 

 

 

 

摘要:

 

作者使用單細胞測序對5'mRNA、TCR和BCR V(D)J進行轉錄組分析,以揭示血細胞免疫反應特征。從16個參與者中共獲得134620 個PBMCs、83387 TCR克隆、12,601 BCR克隆,聚類得到了56個細胞群和23個新的細胞標記基因。與對照組相比,患者的免疫細胞的特定亞型數量發生顯著變化。干擾素-MAPK通路的激活是主要的防御機制,但MAPK轉錄信號在治愈的患者中被抑制。TCR和BCR V(D)J重組在產生不同抗SARS-CoV-2抗體方面差異很大。因此,干擾素-MAPK通路和TCR和BCR產生的抗體在COVID-19免疫反應中起著重要的作用。免疫缺陷或免疫過度反應可能導致COVID-19患者的病情加重。

 

研究背景:

COVID-19是正在出現的全球衛生問題,對我們的生命與財產造成極大的損失??茖W家們也正在竭力研究該病毒,但目前來看其發病機制還不是完全清楚。人類免疫細胞及免疫分子在對抗病毒感染時起著關鍵作用,因此作者企圖通過研究血液單細胞表達譜和免疫譜了解介導SARS-CoV-2免疫應答的機制。

 

研究思路:

 

主要結果:

1. 在PBMCs中鑒定出17種細胞類型

從四川省招募了16個志愿者,患病狀態如下表所示。

 

從每個個體的全血中分離PBMCs。將所有樣本的PBMCs進行10X單細胞表達譜和免疫譜測序分析,共獲得134620 個PBMCs、83387 TCR克隆、12,601 BCR克隆。聚類得到56個細胞群,鑒定出17種細胞類型,包括CD4+ T細胞、CD8+ T細胞、CD1C+_B 樹突細胞等。

 

 

圖1 COVID-19患者和對照組體內PBMCs的細胞組成

 

2. COVID-19患者和對照組的細胞差異比較

 (1)細胞比例

8個COVID-19患者與3個正常個體比較,發現CD1C+_B 樹突細胞 、CD8 細胞毒性T細胞, 漿細胞樣樹突細胞的比例增加,B細胞和CD4輔助性T細胞比例減少。

分別將危重、嚴重、中度、治愈的COVID-19患者與正常個體比較,發現危重患者的56個細胞群中有40個比例減少,另外CD8+ T細胞, CD4+ T 細胞,漿細胞樣樹突細胞消失,這些變化顯示危重患者可能存在免疫缺陷。而在嚴重患者中,56個細胞群中有45個比例增加,說明可能存在免疫細胞過度應答。在中度患者中,各種細胞類型的比例在危重與嚴重患者之間。在治愈患者中,效應CD8記憶性 T細胞(Tem), 巨核祖細胞, CD1C+_B樹突細胞,  CD141+CLEC9A+樹突細胞明顯減少。

(2)差異基因與通路分析

   將危重、嚴重、中度、治愈的COVID-19患者分別與正常個體比較,篩選每種細胞亞型的差異基因,并對差異基因做通路富集分析,結果顯示顯著富集的信號通路主要有病毒mRNA翻譯,α/β相互作用信號,MAPK通路, 淋巴細胞與非淋巴細胞的免疫互作,

MHC II 蛋白復合體,說明針對這個病毒的抗原呈遞被激活。

   在嚴重患者中,超過一半以上的細胞類型中18個信號通路明顯被富集,最重要的一個就是干擾素信號通路的過度激活,包括2’-5’-oligoadenylate synthase,type I interferon signaling pathway,interferon alpha/beta/gamma signaling。在其他患者中,干擾素信號也都有不同程度的激活。在治愈患者中,干擾素信號激活不明顯,而病毒mRNA翻譯是被抑制的,MAPK信號通路明顯富集。另外,為了確認這些變化的信號通路是否對SARS-CoV-2有特異性,還分別比較了COVID-19患者與甲流患者、急性咽炎患者、腦?;颊?,結果顯示仍舊是以上通路被明顯富集??傮w來看,干擾素-MAPK信號通路是響應SARS-CoV-2感染的主要免疫反應通路。另外,通過比較患者與正常個體,發現干擾素信號基因顯著上調,比如IFI27,IFITM1, IFITM3,IFI6。以上結果說明干擾素信號,特別是干擾素α/β/γ和I型干擾素在COVID-19患者體內明顯激活。

 

   在干擾素信號的下游,發現MAPK信號通路轉錄因子--- FOS, JUN, JUNB,  DUSP1在危重、嚴重和重度患者中被激活,而在治愈患者中卻相反。說明MAPK信號通路在治愈患者中是被抑制的,這可能代表了一種病人要恢復的信號。

 

圖2 干擾素-MAPK是響應COVID-19感染的主要免疫反應通路

 

3. 病人TCR/BCR抗體克隆檢測

    在16個個體共檢測到83387個TCR克隆和12601個BCR克隆,TCR克隆在危重病人中最少(1232),嚴重病人中多一些(7161),中度病人中最多(20370),以上結果顯示病情越嚴重,TCR克隆越少。對數量排名靠前的一些TCR抗體序列進行進化保守性分析,發現CASSEGVGTPFDEQFF (patient 2,嚴重), CASSLGLAGDLDEQFF 和

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

CASSEVWASDHEQYF (patient 10,治愈)TCRα序列非常接近,說明這些抗體序列對SARS-CoV-2有特定的活性。與TCR相比,BCR克隆數量非常少,說明在患者中BCR抗體沒有被強烈誘導。

   通過將數量排名靠前的一些TCR序列與已知抗原數據庫比對,在COVID-19患者中,可以比對到EBV、HIV-1、influenza A、yellow fever、CMV等已知的RNA或DNA病毒。而在正常對照個體中,很少能監測到已知的病毒抗原。說明人類可能利用已知的免疫識別去抵抗COVID-19。

圖3 COVID-19患者中TCR、BCR V(D)J克隆表達

 

4. RT-PCR驗證干擾素-MAPK通路基因集的表達

   對前面檢測到的被激活的干擾素-MAPK通路基因--IRF27, BST2, FOS進行驗證,檢測3個危重、3個嚴重、19個重度、3個輕癥、10個治愈患者和5個正常對照的表達量,IFI27在所有患者中表達均明顯上調。FOS在患者中表達上調,但在治愈患者中表達下調,因此可以將FOS作為患者治愈的潛在MARKER。另外,還通過免疫熒光檢測了IFI27的蛋白水平,發現在所有患者中均高表達,而只在部分正常對照個體中有表達。

圖4 干擾素-MAPK信號通路響應SARS-CoV-2感染的機制

結論:

通過呼吸系統感染SARS-CoV-2,病毒進入循環系統,導致血液免疫反應。參與免疫反應的細胞類型有很多,包括CD8+ T 細胞, CD8 cytotoxic T 細胞, CD4+ T 細胞, CD4+ cytotoxic T 細胞,CD1C+_B 樹突細胞等。病毒到達免疫細胞后,可能主要是在AXL+SIGLEC6+ 樹突細胞, CD4+ T細胞, naive CD8+ T細胞復制,從而激活多種細胞中的干擾素信號通路,產生效應因子-- IFI27, IFITM1,IFITM3來對抗病毒。緊接著MAPK信號通路的轉錄因子-- FOS, JUN, JUNB被激活,然后轉錄因子再激活下游MAPK信號通路,以此來抵抗病毒。

 

 

 

 

 

 

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

血液單細胞免疫譜揭示干擾素-MAPK通路介導COVID-19的免疫應答

Blood single cell immune profiling reveals the interferon-MAPK pathway
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