2020年8月单细胞转录组精选文章集锦

发稿时间：2020-09-01来源：天昊生物

我们精选了8月份应用了单细胞转录组测序技术的10篇文献供大家阅读欣赏：

在由严重急性呼吸综合征冠状病毒2 (SARS-CoV-2)感染引起的2019冠状病毒病(COVID-19)中，疾病严重程度与宿主免疫应答之间的关系尚不完全清楚。这项研究对5例健康献血者和13例COVID-19患者(包括7例中度、4例重度和6例恢复期患者，恢复期患者中包含4例配对的中度患者)的外周血标本进行了单细胞RNA测序（方法：10x Genomics，样本和实验设计如下图所示）。通过确定免疫细胞的转录组特征，结合组装好的T细胞受体和B细胞受体序列，分析免疫细胞的功能特性。COVID-19患者的大多数细胞类型均表现出强烈的干扰素-α反应和整体的急性炎症反应。此外，高细胞毒性效应T细胞亚群如CD4+效应因子-GNLY(颗粒溶素)、CD8+效应因子-GNLY和NKT CD160的强化扩张与中度患者的恢复相关。在重症患者中，免疫图谱表现为干扰素反应紊乱，严重的免疫衰竭，T细胞受体库倾斜和广泛的T细胞扩张。这些发现说明了疾病进展过程中免疫反应的动态性质。

2019冠状病毒病(COVID-19)是一种轻度至中度呼吸道感染，然而，有一部分患者发展为严重疾病和呼吸衰竭。轻度保护性免疫的机制和严重COVID-19的发病机制，与中性粒细胞计数增加和免疫应答异常相关尚不清楚。在这项双中心、双队列研究中，结合全血和外周血单核细胞的单细胞RNA测序和单细胞蛋白质组学，以确定轻度和重度COVID-19患者(109例的242份样本)随时间进展中免疫细胞组成和激活变化（样本和实验设计如下图所示）。具有干扰素刺激基因特征的HLA-DR^hiCD11c^hi炎症单核细胞在轻度COVID-19中升高。严重的COVID-19以中性粒细胞前体的出现为标志，作为紧急的骨髓细胞生成、功能失调的成熟中性粒细胞和HLA-DR^lo单核细胞的证据。这项研究提供了对SARS-CoV-2感染的系统免疫应答的详细信息，并揭示了与严重的COVID-19相关的髓细胞的深刻改变。

肺癌是导致癌症死亡率的主要原因，它表现出的异质性使其具有适应性，限制了治疗的成功，而且仍然没有完全被了解。对转移性肺癌进行单细胞RNA测序(scRNA-seq)，采用30名患者在靶向治疗前和治疗期间的49份临床活检样本（样本和实验设计如下图所示），样本分为靶向治疗前、治疗中及进展期三个时间点。20000多个肿瘤和肿瘤微环境(TME)单细胞图谱显示了一个丰富而动态的肿瘤生态系统。肿瘤细胞的scRNA-seq发现的靶向癌基因超出了临床检测到的。疾病残留期(RD)治疗后存活的癌细胞表达了肺泡再生细胞特征，提示治疗诱导了原始细胞状态的转变，而在治疗进展期(PD)那些细胞则上调了犬尿氨酸、血纤维蛋白溶酶原和间隙连接通路。RD表现为T淋巴细胞活跃和巨噬细胞减少，PD表现为免疫抑制细胞状态。scRNA-seq揭示的生物学特征在独立的队列中可以作为临床结果的生物标记。这项研究强调了转移性癌症的多细胞生态系统的治疗诱导适应性是如何最终形成临床结果。

黑素瘤细胞可以在黑素细胞和间充质样状态之间转换。零散的证据表明可能存在额外的中间状态。为了寻找这种状态并破解其潜在的基因调控网络(GRN)，这项研究使用单细胞RNA测序(RNA-seq)研究了10个黑素瘤培养物，以及使用bulk RNA-seq研究了另外26个培养物。尽管每种培养都显示出一个独特的转录组，但是确定了隐藏在极端黑素细胞和间充质状态以及中间状态下的共享的基因调控网络。这种中间状态由独特的染色质图谱所证实，并受转录因子SOX6、NFATC2、EGR3、ELF1和ETV4控制。单细胞迁移实验证实了这种状态的中间迁移表型。通过对SOX10基因敲除后的单细胞进行时间系列采样，揭示了在表型转换过程中GRN的周期性动态变化。综上所述，这些分析表明存在一种中间状态，并由一种独特而稳定的混合GRN驱动，而不是一种共生的异质性的细胞混合。

目的：最近批准anti-PD-L1免疫疗法联合nab-紫杉醇治疗转移性三阴性乳腺癌(TNBC)，这凸显了了解化疗在调节肿瘤免疫微环境(TIME)中作用的必要性。

实验设计：检测了83例乳腺肿瘤(包括44例TNBCs)的新辅助化疗(NAC)前后的免疫相关基因表达模式，这些肿瘤来自于残余疾病(RD)患者。检测了TIME基因表达模式的变化与无复发(RFS)和总生存率(OS)的相关性。此外，试图通过PD-1HI CD8+外周血T细胞的单细胞分析和全血溶细胞基因特征来表征NAC的全身效应。

结果：在非TNBC患者中，任何单一基因的表达变化均与RFS或OS无关，而在TNBC患者中，多种免疫相关基因和基因集的上调与长期预后改善相关。乳腺癌患者在手术时外周血中出现的高细胞毒性T细胞特征与持续的疾病和复发有关，提示积极的抗肿瘤免疫可能表明持续的疾病负担。结论：研究确定了NAC对肿瘤免疫微环境的影响，发现TNBC对NAC的免疫作用特别敏感，并且局部免疫基因/集的增加与改善预后相关。然而，外周血中细胞毒性基因的表达，与TIME相反，可能是导致持续微转移性疾病最终复发的一种微创生物标志物。

这项研究描述了人类黑质（SN）的单核（single-nuclei）转录组图谱，通过对配对的皮层和SN样本中大约17000个核进行测序。结果发现帕金森病(PD)的常见遗传风险与多巴胺能神经元(DaN)特异性基因表达有关，包括线粒体功能、蛋白质折叠和泛素化途径。PD风险和少突细胞特异性基因表达之间有一种独特的细胞类型关联。与阿尔茨海默病(AD)不同，结果发现PD风险与小胶质细胞或星形胶质细胞之间没有关联，这表明神经炎症在PD中起的因果作用小于AD。除了PD，发现SN DaNs和GABAergic神经元基因表达与多种神经精神疾病之间存在关联。条件分析显示，不同的神经精神疾病与不同的神经元特异性基因集有关，但汇聚到少突胶质细胞和少突胶质细胞前体的共享位点。该图谱通过将SN细胞类型表达谱与特定疾病风险联系起来，能够指导我们对病因学的理解。

淀粉样蛋白沉积是阿尔茨海默病(AD)的典型特征。遗传风险因素，如APOE和TREM2，是如何与人体组织中细胞对淀粉样蛋白的反应相互影响目前还不完全清楚。对带有不同APOE和TREM2基因型和神经病理学的死后人类大脑样本进行单核RNA测序，结果发现了不同的小胶质细胞亚群，包括CD163阳性淀粉样反应小胶质细胞(ARM)亚群，这些亚群在APOE和TREM2风险变异的个体中是消失的。研究人员进而在扩大的AD病例队列中验证了单核RNA测序结果，证明APOE和TREM2风险变异与CD163阳性淀粉样反应小胶质细胞显著减少相关。这一结果展示了AD中不同的小胶质细胞反应，并强调了遗传风险因素如何影响细胞对潜在病理的反应。

有抗原经验的结肠淋巴细胞，如组织驻留记忆CD8+ T细胞，可对反复抗原暴露迅速反应。然而，它们的细胞表型以及它们驱动免疫调节和炎症的机制尚不清楚。这项研究使用单细胞转录组、T细胞受体库分析和质谱流式，绘制了健康和溃疡性结肠炎(UC)中人类结肠CD8+ T细胞的图谱。结果发现CD8+ T细胞组成存在广泛的异质性，包括扩张效应细胞和后效应终末分化的CD8+ T细胞。虽然UC相关的CD8+效应T细胞可以触发组织破坏并产生肿瘤坏死因子(TNF)-α，但后效应细胞获得先天特征，可以发挥调节功能，从而减轻过度炎症。因此，这一研究发现了健康和UC中的结肠CD8+ T细胞表型，定义了它们的克隆关系，并表征了终末分化的功能失调UC CD8+ T细胞表达IL-26，其在人源IL-26转基因小鼠模型中减轻了急性结肠炎。

背景&目的：慢性萎缩性胃炎可导致胃上皮化生，增加胃腺癌发生的风险。化生是一种致癌风险增加的癌前病变，但炎症诱发化生的机制尚不清楚。我们研究了慢性胃炎上皮化生小鼠粘膜颈细胞和主细胞的转录程序。

方法：我们分析了之前生成的胃体上皮的单细胞RNA测序(scRNA-seq)数据，以定义来自健康BALB/c小鼠(对照组)和TxA23小鼠(这些小鼠患有慢性胃炎症并上皮化生)的单个上皮细胞的转录组。B6小鼠经幽门螺杆菌感染后发生慢性胃炎。用免疫荧光法分析小鼠和人类患者的胃组织，以验证蛋白水平上的发现。利用拟时轨迹分析scRNA-seq数据预测慢性炎症胃中正常上皮细胞向化生上皮细胞的分化。

结果：胃上皮转录组分析显示，胃动蛋白3(Gkn3) mRNA是小鼠胃体上皮化生(SPEM)的特异性标记。正常胃体未检测到Gkn3 mRNA；它在慢性炎症胃中(来自TxA23小鼠和幽门螺杆菌感染小鼠)的表达发现了比以前更多的化生细胞。健康和患者胃组织样本的染色与这些结果相吻合。虽然健康胃粘膜颈细胞和主细胞都有不同的转录组，但在慢性炎症胃中，这些细胞有不同的转录模式，它们聚集在一种化生前模式上，其缺乏化生相关的转录本。最后，拟时轨迹分析证实了粘膜颈细胞和主细胞会聚为化生前表型，最终进展为化生。

结论：在对小鼠和人的慢性炎症胃组织的分析中，我们扩大了胃上皮化生的定义，包括了胃体中的Gkn3 mRNA和Gkn3阳性细胞，从而可以更准确地评估SPEM。在慢性炎症的情况下，主细胞和粘膜颈细胞是可塑的，并会聚为一种前化生细胞类型，进而发展为上皮化生。

系统性红斑狼疮(SLE)患者显示出复杂的血液转录组，其细胞起源难以确定。使用单细胞RNA测序，该研究分析了33名不同疾病活度的SLE患儿和11个匹配对照的外周血中约276,000个单核细胞。干扰素刺激基因(ISGs)表达的增加将SLE患儿的细胞与健康对照细胞区分开来。ISG高表达特征(ISG^hi)在主要细胞类型中来源于一类少数转录定义的亚群，包括单核细胞、CD4+和CD8+ T细胞、自然杀伤细胞、常规树突细胞和浆细胞样树突细胞、B细胞，特别是浆细胞。ISGs和/或单基因狼疮相关基因中富集的独特亚群的扩张将疾病活动性最高的患者分类。对来自成年SLE患者的约82,000个单核细胞的分析证实了在疾病活动性最高的患者中类似亚群的扩张。本研究为解决系统性红斑狼疮转录特征的来源和疾病异质性向精准医学的应用奠定了基础。