文献解读|单细胞测序揭示口腔黏膜单细胞图谱及牙周炎发病机制
文章名称：Human oral mucosa cell atlas reveals a stromalneutrophil axis regulating tissue immunity
期刊：Cell IF=41.582
导读
口腔黏膜仍然是一种有待研究的屏障组织，是一个暴露于抗原和共生物质丰富的地方，其易受人类最普遍的炎症疾病之一——牙周炎的影响。本文研究了健康人和牙周炎患者口腔黏膜的单细胞转录组图谱，揭示了口腔黏膜组织的复杂细胞景观，并识别了具有炎症特征的上皮和基质细胞群体，这些炎症特征可以促进抗菌素防御和中性粒细胞招募。研究结果表明，牙周炎中基质细胞反应性的增强与中性粒细胞和白细胞浸润的增强有关。
结果
⚫ 健康人口腔黏膜的单细胞转录图谱
从21个健康人志愿者中通过活检取了牙龈黏膜和颊粘膜，通过悬液消化和细胞过滤共获得了88000个单细胞（图1A）。通过分群和细胞注释，发现健康成人的牙龈和颊黏膜中有4个主要的细胞室，包括上皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞和免疫细胞（图1B）。另外，展示了每种细胞类型的特异性表达基因（图1D）。接下来与其他已发表的健康人的屏障组织细胞的组成进行了对比，发现口腔黏膜的主要细胞类型与其他组织一致。
图1
⚫ 具有不同免疫功能的基质和上皮亚群的鉴定
接下来对内皮细胞、上皮细胞、成纤维细胞进行了细分，内皮细胞、上皮细胞、成纤维细胞分别被分为6个、4个、5个亚群。内皮细胞中，H.VEC 1.1、1.3和1.4均与免疫功能有关。H.VEC 1.1表达了与抗原呈递一致的基因特征(HLADMA, CD74)，而1.3和1.4似乎促进了免疫和炎症反应(如对LPS和IFN信号的应答)，并表达了与中性粒细胞募集和IFN信号相关的基因(CSF3, CXCL2, mx1)(图2B)。上皮细胞中，H.Epi 1.1和1.3同时存在于口腔和牙龈粘膜，而H.Epi 1.2仅存在于牙龈，其基因表达谱与炎症反应一致。
图2
⚫ 健康口腔黏膜以T淋巴细胞和骨髓细胞为主
23575个免疫细胞被分为T/NK、B/血浆和粒细胞/髓系细胞5大簇（图3A），对其进行进一步细分，共分为14类（图3B-D）。研究发现，口腔和牙龈黏膜的免疫细胞均以T细胞为主，并细分为αβT（CD4）、TH17、黏膜相关不变T (MAIT)、αβT（CD8）、γσT、Treg和NK/T细胞。其次是髓系细胞，包括髓系树突状细胞(mDCs)、巨噬细胞和中性粒细胞。另外还有肥大细胞群和少量浆细胞样DCs (pDCs)、B和浆细胞群。口腔黏膜中CD8+ T细胞比例增加，牙龈中Treg、肥大、pDCs、B细胞比例显著升高。
图3
⚫ 黏膜组织的免疫细胞浸润是牙周炎的标志
对健康成人（n=21）和未经治疗的牙周炎患者的牙龈粘膜活检进行了分析。健康和病变组织的HE和免疫荧光染色显示，疾病发生时，黏膜组织中有CD45+白细胞浸润(图4B和4C)。流式细胞术也证实了显著的炎症细胞浸润 (图4D)。另外单细胞测序结果发现，与健康人相比，牙周炎患者中免疫细胞显著增加，体现了免疫细胞的深度浸润 (图4E)。
图4
⚫ 牙周病中的免疫细胞亚型
对来自健康和疾病的整合scRNA-seq数据集中的免疫细胞类型的研究表明，在健康与牙周病患者中免疫细胞比例显著不同。与健康人相似，T细胞仍然是主要的免疫细胞群，在疾病中有αβT（CD4）、TH17、黏膜相关不变T (MAIT)、αβT（CD8）、γσT、Treg和NK/T细胞 (图5A)。按比例排在第二位的是B和浆细胞，其中，与健康人群相比，牙周炎患者浆细胞明显增加(图5A和5B)。最后，疾病中也存在髓/粒细胞细胞群，中性粒细胞增多(p = 0.1586)(图5A和5B)。聚焦于疾病中扩展的细胞类型，我们进一步定义了牙周炎中浆细胞和中性粒细胞的基因标记。大多数浆细胞表达免疫球蛋白G (IgG)和k或l轻链，少数但不同的群体表达IgA(图5C)。
图5
⚫ 牙周炎中基质和上皮细胞显示炎症的转录特征
对健康人与牙周炎患者的基质和上皮细胞进行比较发现，疾病中基质细胞和上皮细胞比例下降（图4E）。对其聚类发现，健康与疾病患者转录水平相似（图6A-C）。对疾病中的基因表达谱进行功能富集分析，表明在疾病中炎症反应有所增加（图6D）。为了进一步研究牙周炎背景下基质和上皮细胞-免疫细胞的潜在相互作用，我们使用NicheNet推断细胞-细胞相互作用与配体-靶标调节潜能的先验模型。根据我们的scRNA-seq数据集中的基因表达，我们确定了最明显的免疫受体-配体相互作用。结果表明基质细胞和上皮细胞似乎促进免疫细胞的粘附，而成纤维细胞显示出招募炎症细胞的潜力，这与疾病中上调的功能一致(图6E)。总之，基于基因表达特征和预测的相互作用，我们的数据表明基质细胞在疾病部位的免疫细胞招募中发挥了积极作用。
图6
⚫ 牙周炎易感基因在免疫细胞和基质细胞中的表达
为了开始了解细胞对疾病发病机制的贡献，我们接下来研究了与牙周炎易感性相关的基因的细胞表达。通过scRNA-seq图谱，我们评估了15个现存牙周病基因在牙龈黏膜中的表达。除了C1S和C1R(仅在成纤维细胞中表达)外，与牙周炎相关的孟德尔病基因几乎只在免疫细胞室中表达，这表明免疫细胞(可能是成纤维细胞)功能障碍是单基因牙周炎的关键驱动因素，中性粒细胞相关缺陷(HAX1, LYST, ITGB2, FPR1)与遗传综合征中牙周炎的易感性特别相关。另外其他GWAS相关的基因在基质细胞、上皮细胞和免疫细胞中广泛表达，表明牙周炎中免疫细胞和非免疫细胞之间存在复杂的相互作用。我们在组织水平上对疾病相关基因的探索表明，不同的细胞群参与了常见形式的牙周炎，而中性粒细胞和成纤维细胞可能驱动已知孟德尔型牙周炎的发病机制。
图7
参考文献：
Williams D W, Greenwell-Wild T, Brenchley L, et al. Human oral mucosa cell atlas reveals a stromal-neutrophil axis regulating tissue immunity[J]. Cell, 2021, 184(15): 4090-4104.
推荐阅读
END
本文为伯豪生物原创
欢迎转发朋友圈
转载请注明来自伯豪生物
咨询热线：17702139967
邮箱：market@shbio.com
发现“分享”和“赞”了吗，戳我看看吧