Science特刊解读 | 单细胞转录组在先天免疫反应研究中的进展
近几年，单细胞RNA测序及其伴随的复杂计算方法，正在催化一场打破固有免疫学认知的巨大变革。
结合10月Science特刊综述与当前最新研究进展，生信者言整理了单细胞转录组与免疫研究的深度综述，内容分三篇，供大家参详，本文主要分享单细胞转录组技术在先天免疫研究中的应用。
Science特刊 | 单细胞基因组学研究技术的发展
Science特刊 | 单细胞转录组在先天免疫反应研究中的进展
Science特刊 | 单细胞转录组在适应性免疫研究中的应用
岗位职责
本篇要点 Highlights
1、树突细胞：免疫系统中的第一反应者
2、先天淋巴细胞及其发育
3、单核巨噬细胞系
4、先天免疫细胞与细胞内响应机制的比较研究
关键词 Keywords
单细胞转录组、先天免疫、树突细胞、巨噬细胞、细胞内响应机制
免疫反应涉及到多种细胞类型，随着免疫反应的进行，免疫细胞们还可以实时改变自己的功能。而单细胞分析能够帮助研究者鉴定和分选出大量未知的细胞亚群、理解细胞间的相互作用，并能帮助进行个体间或物种间的免疫反应比较等。
Fig. 1. Single-cell genomics in immunology.
先天免疫反应是快速防御病原体的第一道屏障。病原体刺激机体的特定受体分子如dsDNA或LPS等，引发一系列的免疫反应。单细胞方法已被用于研究这些免疫反应的随机性、识别未知的先天免疫细胞亚群、确定免疫细胞的结构、帮助我们理解免疫机制等。
Part1: 树突细胞：免疫系统中的第一反应者
树突细胞（DCs）是免疫系统的第一道防线，存在于血液、淋巴器官和很多组织中。这些细胞吞噬抗原后迁移到淋巴结，将抗体呈递给T细胞。
2009年，Aviv Regev等就在Science上发表了一篇关于小鼠树突细胞对病原体的转录响应的文章，建立了通过单细胞转录组测序分析哺乳动物免疫反应中转录调控网络的基本方法，并发现了125个转录因子。【PMID: 19729616】
2013年，Shalek A. K.等在Nature上报道了采用单细胞RNA测序来研究18个小鼠骨髓来源的树突状细胞（BMDCs）对脂多糖反应的异质性。BMDCs 的成熟可作为对来自病原体的配体（如脂多糖）的反应，可导致防御细胞因子的共表达。研究中共鉴定出137个高度变化但共同调节的抗病毒反应基因。进一步分析发现，尽管这些基因在群体水平上看是高表达的，但在单细胞中，有100个基因是以两种模式表达的。前文我们说过，异质性的发现是催动单细胞技术的动力之一，这种不同的表达机制加深了研究者们对scRNA-seq的热情。【PMID:23685454】
2014年，ShalekA. K.等又有了更有意思的发现。1700只原代小鼠BMDCs的scRNA-seq研究发现，细胞的异质性不仅仅是在空间尺度上，在时间上也存在。同一种刺激处理后的细胞在基因表达水平有很大差异，不同处理时间的异质性图谱有各自明显的特征。【PMID:24919153】
2016年，Jonathan Weissman和Aviv Regev于在Cell上介绍了两项革命性的工作。CRISPR与单细胞测序强强联合产生的Perturb-seq，进一步推动了先天免疫研究。Perturb-seq是一种基于CRISPR-Cas9系统在单个样品中平行生成数以千计的基因扰动，结合scRNA-seq同时测定每个细胞的扰动和表型，成功实现了大规模的单细胞转录谱分析。本报道中使用Perturb-seq分析了20万个细胞，研究调控树突细胞反应的转录因子。【PMID:27984733】【PMID:27984732】
除了对机制的研究外，单细胞基因组学可以帮助解析更多未知的先天免疫细胞亚群。最近的几项人体DCs的scRNA-seq研究获得了未被报道过的DC亚群，并揭示了这些细胞谱系的复杂性。【PMID:25687281】【PMID:28428369】【PMID:28473638】
例如，2017年Aviv Regev和A.-C. Villani等在Science上的报道，运用scRNA-seq检测了约2400个免疫系统细胞，鉴定了人类血液中的6个树突细胞和4个单核细胞亚型，发现了一个未被报道过的新DC亚群，这个亚群有着被T细胞刺激激活的潜力，为疾病相关的生物标记物的发现和这些新发标记的免疫表型和功能测定提供思路。【PMID:28428369】
Part2: 先天淋巴细胞及其发育
先天淋巴细胞（InnateLymphoid Cells, ILCs）是一组在人体中发现的免疫反应和组织体内平衡的重要调节因子，对于维持粘膜的屏障功能非常重要。存在有细胞毒性的亚群和无细胞毒性的亚群。越来越多的证据表明，ILCs与炎症性肠道疾病、哮喘和肠癌等疾病的发生和肿瘤免疫治疗的应答有关。
2014年，巴塞罗那IMIM的AndreaCerutti团队首次在人体脾脏中发现了先天淋巴样细胞ILC，研究成果发表在当年二月的Nature Immunology上。【PMID:24562309】
2016年，来自三个人体扁桃体样本组织的648个细胞的scRNA-seq全面分析了ILCs细胞群中不同类型单细胞的多样性和异质性，聚类显示出四种显著不同的群体（ILC1、ILC2、ILC3和NK细胞）。不同ILC类群细胞的转录本信息为后续的ILC细胞群在疾病与机体稳态中的作用机制和标记基因挖掘提供了重要思路。【PMID:26878113】
另一项研究中，Gury-BenAri等结合RNA-seq、ChIP-seq及ATAC-seq分析了小肠先天淋巴细胞的转录及表观遗传学特征，鉴定出上千种不同的基因分布及调控元件。scRNA-seq结合流式与质谱分析揭示了3种经典天然淋巴细胞亚型的细胞因子表达及代谢活性之间的区别，并发现了现有分类之外的转录状态划分。
【PMID:27545347】
然而，尽管研究更新很快，细胞的异质性、生长轨迹和ILC祖细胞的信号依赖性，仍然缺乏系统的理解。2016年9月发表在Nature上的一项研究，通过对骨髓（BM）先天淋巴细胞（ILCs）进行单细胞RNA测序（scRNAseq），确定了不同的ILC前体细胞亚群，描述了不同的ILC发育阶段和途径，并发现PD-1可以作为先天淋巴祖细胞和效应物ILCs的一个新型标记。【PMID:27749818】
Fig. 2. Inferring cellular trajectories from single-cell data
Part3: 单核巨噬细胞系
巨噬细胞（Macrophages），最早由Mechnikov在1884年发现，是一种广泛分布于全身血液、组织的免疫细胞。巨噬细胞不只能够吞噬病原体，在机体的免疫防御、免疫自稳和免疫监视中也发挥了重要作用。巨噬细胞组织分布多样性和异质性的特点，使之成为科研工作者研究的热门对象，这其中自然也少不了单细胞转录组的贡献。
2015年发表于Cell上的一项研究中，用荧光标记鼠伤寒沙门氏菌感染的小鼠巨噬细胞，结合单细胞RNA-seq，探讨了单个巨噬细胞对入侵的沙门氏菌的反应，揭示了与细菌生存和增殖相关的多种巨噬细胞状态，并把病原体状态与宿主信号通路联系起来。【PMID:26343579】
随后发表的一项研究同样基于荧光标记和scRNA-seq相结合的方法，研究了巨噬细胞对沙门氏菌不同细胞状态的响应。这项研究中最有意思的发现是，当感染非生长状态的沙门氏菌时，巨噬细胞呈现促炎性的M1状态，而感染活跃增殖的沙门氏菌时，巨噬细胞就变成了一种抗炎性的M2状态【PMID:27841856】。
可以预见的是，随着scRNA-seq对免疫细胞和病原体的转录调控的监控，这些细胞在防御中的功能和机制将被逐步揭开，更多值得期待的事正在发生。
在巨噬细胞家族中，还有一种特殊的细胞--小胶质细胞。2016年的两项scRNA-seq研究揭示了小胶质细胞在阿尔兹海默症中的作用。【PMID:27984734】【PMID: 28602351】
例如在Hadas Keren-Shaul及其团队发表于Cell上的报道中，通过对携带五种阿尔茨海默病基因突变小鼠模型的单细胞深度测序，鉴别出一类小胶质细胞，对于阿尔茨海默病和神经变性疾病具有保护作用。结合免疫组化和单细胞RNA-seq，进一步确定了这一类小胶质细胞在β-淀粉样蛋白（Amyloid β）斑块附近聚集。而且，这些小胶质细胞都处于激活的状态，包括促进其活性的Tyrobp，Apoe基因上调和抑制其活性的Cx3cr1等基因的下调。【PMID: 28602351】
PArt4: 先天免疫细胞与细胞内响应机制的比较研究
免疫学中一个很重要的挑战在于，理解从不同的动物模型到人，免疫系统发生了怎样的演化过程。基于多细胞的群体研究或可掩盖免疫细胞的相互作用、细胞间的异质性和单个细胞的内在反应。也因此，如何由细胞表面标记确定免疫细胞亚群，这也面临着一些挑战，其中之一就是缺乏来自于非模式生物的标记和抗体信息。
scRNA-seq的快速发展为规避这些难题带来了希望。比如今年3月发表的研究中，结合单细胞技术鉴定了斑马鱼中T细胞、NK细胞和骨髓样细胞三大免疫细胞类群的转录本信息。【PMID:28087841】
今年5月发表的另一项研究中，结合单细胞转录组技术，研究了包括灵长类动物和啮齿动物的4种哺乳动物的成纤维细胞的先天免疫反应，揭示了不同物种、单个细胞在蛋白质序列与基因表达上的差异。【doi: https://doi.org/10.1101/137992】
关于先天免疫部分的研究综述就到这里，下一期我们继续关注单细胞测序在适应性免疫中的应用。
／End.
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回复文字：果然科学，看一篇好玩的科普文。