标题：Single-cell transcriptome profiling reveals neutrophil heterogeneity in homeostasis and infection
期刊：Nature Immunology
中性粒细胞由骨髓造血干细胞分化而来，以细胞内装备有大量的杀菌颗粒为主要特征，这些颗粒能够帮助中性粒细胞在病原体入侵时杀伤细菌，起到重要的防御作用。中性粒细胞群具有较强的异质性，目前主要根据形态学、表面标记表达或梯度分离对中性粒细胞进行分类，虽然简单可靠，但无法完整的捕获和阐述中性粒细胞的异质性，从而严重阻碍了中性粒细胞研究的发展。单细胞RNA测序(scRNA-seq)是探索免疫细胞异质性的有力工具。本文通过单细胞测序技术，构建了健康和感染小鼠中性粒细胞分化和成熟的单细胞图谱。作者从健康小鼠的骨髓（BM）、外周血（PB）和脾脏（SP）中分离中性粒细胞，进行scRNA-seq，无监督聚类将中性粒细胞分成八个簇（G0-4，G5a-c）。G0-4主要来源于BM，其中G0、G1、G2处于分裂阶段，G3、G4是分裂后较成熟的中性粒细胞亚群；G5a-c主要来源于外周组织，它们代表了具有典型多形核形态的成熟中性粒细胞，分别命名为PMNa、PMNb和PMNc。图1 健康小鼠骨髓(BM)、外周血(PB)和脾脏(SP)中性粒细胞的单细胞RNA-seq分析
随后作者从颗粒蛋白、形态学、杀菌功能、转录因子动力学等方面，详细解析了每个细胞群的特征，探究了scRNA-seq定义的中性粒细胞群与已知中性粒细胞群的相关性，并通过流式细胞术等方法验证了这些细胞群体的存在。基于相关性分析，G0、G1、G2、G3 和 G4 分别与已知的BM GMP（granulocyte monocyte progenitor，粒细胞-巨噬细胞祖细胞）、proNeu、preNeu、未成熟Neu (immNeu) 和成熟 Neu (mNeu) 相对应。
RNA速率（RNA velocity）分析揭示了这些成熟群体的骨髓来源和复杂的相互转化关系：G5a和G5b高度相似，但他们是两个独立的中性粒群体。其中G5a源自BM G3和G4 细胞，而G5b仅源自G4细胞，在 PB 中很少检测到G5a到G5b的转换；在 BM粒细胞生成过程中，部分G3中性粒细胞从BM迁移到PB中，并进一步迁移到其他组织。此外，PB G3细胞可直接分化为G5a而不经过G4。最后，为研究细菌感染对中性粒细胞发育的影响，作者从大肠杆菌攻击后形成腹膜炎的小鼠骨髓、外周血、脾脏中分选中性粒细胞进行单细胞测序。将感染状态的单细胞数据与稳态下的单细胞数据整合分析发现，细菌感染期间，中性粒细胞各亚群的特性得以保持，但与病原体清除相关的基因在中性粒细胞成熟的每个阶段都被上调，以最大限度地提高宿主防御能力。细菌感染状态下，中性粒细胞的迁移轨迹与稳态下的迁移轨迹相同，由BM转移到外周组织，但感染状态下中性粒细胞的分化和成熟明显提前。此外，细菌感染对中性粒细胞的分化轨迹产生了明显的影响。稳态条件下，外周血中的PMNa细胞可以来源于mNeu和immNeu细胞，而PMNb细胞主要来源于BM mNeu细胞，但是细菌感染后，immNeu到PMNa细胞的转化受到抑制，主要分化为 mNeu 细胞。总之，作者使用单细胞 RNA 测序构建并详细解析了中性粒细胞在其稳态和细菌感染期间的分化、功能的综合转录图谱。八个中性粒细胞群由不同的特征基因定义，3个成熟的外周血中性粒细胞亚群来自不同的成熟骨髓中性粒细胞亚群。在已知和未表征的转录因子的驱动下，中性粒细胞逐渐获得微生物杀伤能力，从而对中性粒细胞反应进行微调节。细菌感染会改变每个亚群之间的分化关系，并在不影响整体异质性的情况下为增强中性粒细胞功能做准备。这些数据为在单细胞分辨率下研究中性粒细胞相关疾病机制、生物标志物和治疗靶点建立了可参考模型。参考文献：
[1] Xie, Xuemei, Shi, Qiang, Wu Peng, et al. Single-cell transcriptome profiling reveals neutrophil heterogeneity in homeostasis and infection. Nature immunology(2020).
本文为伯豪生物原创
撰稿人：李梦洁
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