單細胞RNA測序揭示人類結核肺組織細胞異質性和細胞間串擾
近日，公共衛生中心胸外科主任宋言崢教授團隊在Journal of Infection發表題為“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。
肺結核患者的肺部炎癥與疾病的嚴重程度以及治療后復發風險有關，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，研究肺結核患者細胞異質性和細胞間的串擾。結果發現，結核肺組織內含有調節性T細胞（Treg）、耗竭性CD8+ T細胞、免疫抑制髓系細胞、常規樹突狀細胞（DC）、漿細胞樣DC細胞。在炎癥肺組織區域的免疫細胞中，ATP合成和干擾素介導的信號傳導普遍上調，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。總之，本研究揭示了肺結核組織的轉錄組異質性和細胞間串擾，為指導結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：揭示人類結核肺組織的細胞異質性和細胞間串擾
發表時間：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
DOI：https://doi.org/10.1016/j.jinf.2023.09.004研究內容
通過scRNA測序，共鑒定出29個免疫細胞和實質細胞亞群。其中，在免疫細胞中定義了10個髓系亞群、3個T細胞亞群、2個NK亞群、B細胞群，漿細胞群和肥大細胞群；在非免疫細胞中，鑒定出內皮細胞群和5個上皮細胞亞群。同時，研究者還對每種細胞類型的轉錄譜以及不同患者間免疫細胞和非免疫細胞比例進行分析，全面繪制結核肺的細胞圖譜。
Fig.1 結核肺的細胞圖譜
2. 與18F-FDG-avidity 以及結核感染相關的細胞組成和轉錄組的變化
細胞比例分析發現，在結核肺組織中，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結核肺組織的細胞類型（相比于low-18f-FDG-avidity結核肺組織）。
轉錄譜分析發現，與未感染的供體肺相比，18F-FDG-avidity結核肺組織中的細胞類型中存在細胞類型特異性的轉錄改變。例如，在high-18F-FDG-avidity結核肺組織中，髓系亞群（LGMN-MΦ、 LAMP3-DC、 cDC、 AREG-MΦ, 和FCGR3A-Mono）中的上調基因最多。研究者進一步對high-18F-FDG-avidity結核肺、low-18F-FDG-avidity結核肺和供體肺（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。結果發現，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的免疫應答相關。
Fig.2 結核肺中的髓系細胞群
Fig.3 結核肺中的淋巴細胞群
3.確定與結核病進展和疾病相關基因表達的細胞類型
通過比較肺結核患者的外周血中與肺組織中的差異基因，研究者發現在最初報道的外周血上調基因中，只有一部分在肺結核患者的肺中表達上調。與未感染的肺供體相比，在high-18F-FDG-avidity 結核肺和low-18F-FDG-avidity 結核肺中，都發現了一些結核病相關風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；LGMN-MΦ中纖維化基因（CHI3L1、MMP9、PLA2G7和IL1RN）表達的上調與結核病感染和high-18F-FDG高親和力有關。
Fig.4與結核病相關的基因在髓系細胞、淋巴細胞和肥大細胞中表達
4. 細胞間的相互作用網絡
為了識別結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絡，研究者使用CellPhoneDB分析，識別細胞群之間的配體-受體相互作用。結果發現，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。研究者預測LAMP3-DC可能通過CCL19介導的途徑將CD8+和CD4+ T細胞招募到結核肺中。
Fig.5結核肺中免疫抑制髓系細胞和T細胞之間的細胞互作
主要結論
本文通過scRNA-seq，分析結核肺細胞組成，繪制了人類肺結核肺的單細胞圖譜。通過轉錄譜分析發現，免疫抑制的髓系細胞和Treg細胞是表達與結核病進展相關基因的主要細胞類型。進一步通過細胞互作分析發現，免疫抑制髓系細胞與Treg、耗竭性CD8+ T細胞和CD4+記憶/效應T細胞存在潛在的相互作用。總之，本研究揭示了單細胞分辨率下結核肺免疫抑制生態位的分子細節，并且為了解結核病發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
