时空组助力揭“凶猛”新冠病毒“真面目” | 时空简讯17期
时空简讯第17期。
感染性疾病是危害人类生命健康和造成社会经济损失的主要威胁之一，这在新冠疫情中得到凸显。COVID-19疫情自2019年12月爆发以来，新型冠状病毒SARS-CoV-2不断变异和进化导致全球大流性，可导致各种轻重程度不同的临床症状，全世界也投入了大量的资源进行疫苗研发、病毒感染机制和免疫互作机制的研究。本期我们遴选了5篇COVID-19相关和4篇其他感染疾病相关的、应用单细胞和空间转录组技术开展的感染、致病机制研究的论文，供了解参考。
遗传风险
Genetic Risk
GWAS结合单细胞和空间转录组鉴定新冠病毒感染重症遗传风险区效应基因
Nature Genetics [IF: 38.330]
① 回顾性分析104例COVID-19患者的临床资料，并根据临床症状、典型的COVID-19组织学和病毒肺部感染情况，结合已有全基因组关联研究（GWAS），选择3例进行scRNA-seq分析，鉴定到COVID-19重症的遗传易感性区3p21.31的效应变异和效应基因，可作为治疗或预防COVID-19的潜在靶点。
② 结合ATAC-seq、ChIP-seq和机器学习（deepHaem），鉴定到一个增强子单核苷酸多态性位点（SNP）变异：rs17713054（G>A），推测是3p21.31易感区的效应变异。
③ 染色体构象捕获（chromosome conformation capture，3C）分析，发现含rs17713054的增强子可与转录因子LZTFL1（位于3p21.31位点）的增强子互作。
④ bulk RNA-seq和scRNA-seq分析表明，LZTFL1存在于整个呼吸上皮中且主要在纤毛细胞中表达，rs17713054 A上调了LZTFL1的表达，证实LZTFL1作为易感性区3p21.31的候选效应基因，导致该位点相关的COVID-19呼吸衰竭风险增加两倍。
⑤ 3例重症COVID-19患者肺活检组织的空间转录组分析显示，LZTL1F调控上皮细胞间质转化（epithelial-mesenchymal transition）通路，进而参与COVID-19感染应答。（PSS/Lina）
肺中LZTFL1的表达情况
Identification of LZTFL1 as a candidate effector gene at a COVID-19 risk locus.
2021.11.04, DOI: 10.1038/ s41588-021-00955-3.
研究文章；疾病病理；人，肺，感染，COVID-19，SARS‑CoV‑2, LZTFL1, GWAS, ChIP-seq, ATAC-seq，scRNA-seq, 空间转录组；Damien J. Downes, Amy R. Cross, Peng Hua，James O. J. Davies, Jim R. Hughes; University of Oxford; UK.
SARS-CoV-2侵入子宫内膜的风险图
Human Reproduction [IF: 15.610]
① 27名健康育龄女性的子宫内膜活检样本scRNA-seq分析，获得73,181个人子宫内膜细胞数据，表征月经周期以及孕前阶段SARS-CoV-2侵入细胞相关基因（典型：ACE2、TMPRSS2、NRP1和LY6E；非典型：BSG、ANPEP、CD209、CLEC4G、TMPRSS4、TMPRSS11A、FURIN、CTSB、CTSL和IFITM1）的表达情况，并结合已公开scRNA-seq数据集，绘制人类子宫内膜SARS-CoV-2感染的“风险图”，可用于评估无症状COVID-19携带者孕前子宫感染SARS-CoV-2的风险。
② 月经周期（19人，2,148个细胞）任何阶段，ACE2在间质或无纤毛上皮细胞中均无显著表达，而整个周期NRP1在基质细胞和上皮细胞中均有表达，TMPRSS2在腺上皮细胞增殖早期和分泌中期时表达，LY6E主要在基质细胞中高表达，此外，在腺上皮细胞分泌早期，ACE2和TMPRSS2，ACE2、NRP1和TMPRSS2分别在0.73%、0.70%细胞中共表达，而ACE2、LY6E和TMPRSS2仅在0.35%细胞中共表达。
③ 孕前阶段（10人，71,032个细胞），NRP1在20%的早期和51%的分泌中期的基质细胞中高表达，TMPRSS2在10%腺上皮细胞中表达、但在基质细胞中的表达始终较低，ACE2和TMPRSS2仅在无纤毛上皮细胞中共表达、且在胚胎植入时表达较低（0.07%管腔上皮细胞），未检测到ACE2、NRP1、TMPRSS2，ACE2、LY6E和TMPRSS2的共表达。
④ 从典型细胞侵入机制看，非妊娠状态的人类子宫内膜感染新冠病毒的风险较低。
⑤ 针对非典型细胞侵入机制，在整个月经周期BSG在所有细胞类型中均高表达，并可能与CTSB或CTSL蛋白酶相互作用，但该感染机制尚未得到证实。（逄丽/Lina）
子宫内膜中SARS-CoV-2侵入相关基因的月经周期转录组动态
Single-cell RNA sequencing of SARS-CoV-2 cell entry factors in the preconceptional human endometrium.
2021.07.30, DOI: 10.1093/humrep/deab183.
研究文章；疾病病理；人，月经周期，子宫内膜，孕前，病毒，感染，COVID-19, SARS-CoV-2, ACE2, TMPRSS2, NRP1, scRNA-seq; F. Vilella, W. Wang, S.R. Quake, C. Simon; INCLIVA Health Research Institute, University of Valencia, Stanford University, Harvard University; Spain, USA.
分子病理
Molecular Pathogenesis
临床样本宏转录组和空间转录组：SARS-CoV-2感染后的分子病理机制
Nature Communications[IF: 14.919]
① 开发了一种自鼻/口咽拭子快速（30 min）、环介导等温扩增（loop-mediated isothermal amplification，LAMP）检测SARS-CoV-2 感染的技术，和一个用于宿主、病毒和微生物图谱分析的宏转录组方法（total-RNA-seq），定义和绘制了美国纽约市新冠疫情的病毒遗传特征，并将特定的宿主反应和基因表达扰动与SARS-CoV-2感染联系起来。
② 应用total-RNA-seq（去除rRNA）绘制了纽约669例确诊新冠患者的分子画像，发现纽约市独特的病毒进化枝（20C）显著富集，以及表征了宿主中干扰素、血管紧张素转换酶（angiotensin converting enzyme，ACE）、血液学和嗅觉通路的反应。
③ 回顾分析了50,821例重症新冠患者ACE抑制剂（ACE inhibition，ACEI）和/或血管紧张素受体拮抗剂（angiotensin receptor blockers，ARBs）使用记录，发现与类似药物（受体阻滞剂、钙通道阻滞剂和噻嗪类/噻嗪类利尿剂）相比，肾素-血管紧张素-醛固酮系统抑制剂对重症COVID-19具有保护作用。
④ 4名COVID-19患者肺组织尸检组织空间转录组检测分析，显示ACE2 在肺泡周围表达，且发现肺部有巨噬细胞和中性粒细胞浸润。（ImmF）
基于肺活检组织空间转录组的细胞构成分析
Shotgun transcriptome, spatial omics, and isothermal profiling of SARS-CoV-2 infection reveals unique host responses, viral diversification, and drug interactions.
2021.03.12, DOI: 10.1038/s41467-021-21361-7.
研究文章；疾病病理；人，肺，临床，COVID-19，SARS-CoV-2，ACE2，空间转录组，total-RNA-seq; Daniel Butler, Christopher Mozsary, Cem Meydan, Jonathan Foox, Joel Rosiene, Alon Shaiber, David Danko, Robert E. Schwartz, Nicholas Tatonetti，Hanna Rennert, Marcin Imielinski, Christopher E. Mason; Weill Cornell Medicine, New York Genome Center; USA.
COVID-19重症急性肾损伤与脓毒症相关肾损伤形态学和分子特征的相似性
Mayo Clinic Proceedings [IF: 7.616]
① 17例成年COVID-19患者肾脏形态学评估，肾小管间质的靶向转录组和蛋白质组学分析分析其中7例重症死亡后20 h时肾脏的超微结构和分子特征，结合存档的脓毒症-急性肾损伤（sepsis-acute kidney injury，S-AKI）和非脓毒症NS-AKI的病例资料，以NS-AKI为对照，确定了S-AKI和COVID-19 AKI之间形态学和分子特征的相似性。
② 超微结构评价显示，COVID-19 AKI病理谱包括巨噬细胞显性微血管炎症（肾小球炎和肾小管周毛细血管炎）、血管功能障碍（肾小管周毛细血管充血和内皮损伤）、肾小管损伤伴线粒体损伤，此外，与NS-AKI相比，COVID-19 AKI和S-AKI中巨噬细胞显性微血管炎症者更多，肾小管上皮细胞凋亡也更为常见。
③ 使用质谱成像细胞术检测COVID-19肾脏中23个细胞表面标志物，分析浸润表型和AKI的空间结构，发现CD3+CD4+ T细胞富集在抗原呈递细胞附近（适应性免疫应答），巨噬细胞富集的肾小球和间质浸润（主要为先天免疫应答）。
④ 基因表达分析发现，COVID-19 AKI和S-AKI肾脏中具有大量参与炎症反应的转录通路，包括凋亡、自噬、MHC I类和II类，以及Th1分化。
⑤ 蛋白质组分析表明，COVID-19 AKI和S-AKI肾脏富含参与sirtuin和坏死信号通路（necroptosis signaling pathways）的蛋白，这两个通路均参与炎症调节，此外，与NS-AKI相比，COVID-19 AKI中神经酰胺信号通路表达上调，而氧化磷酸化水平下调。（Yinxue Wang/Lina）
COVID-19 AKI和S-AKI肾脏形态学和分子特征比较
Acute kidney injury in severe COVID-19 has similarities to sepsis-associated kidney injury- a multi-Omics study.
2021.06.15, DOI：10.1016/j.mayocp.2021.07.001.
研究文章；疾病病理；人，肾脏，COVID-19，肾损伤，败血症，细胞凋亡，质谱成像细胞术; Mariam P. Alexander, Andrew D. Badley, Akhilesh Pandey, Timucin Taner; Mayo Clinic, National Institute of Mental Health and Neurosciences; USA, India.
新冠病毒/流感病毒-宿主肺部免疫互作的空间转录组图谱
European Respiratory Journal [IF: 16.671]
① 10名COVID-19、5名pH1N1（pandemic H1N1）流感和4名非病毒感染对照患者，尸检肺组织并应用RNAscope和感兴趣区域（ROIs）选择进行空间转录组分析，绘制了病毒与宿主感染互作的肺部精细全景转录图谱。
② 病理学家评估显示，ROIs可大致分为细支气管上皮结构、2型肺细胞、透明膜和巨噬细胞主导的区域，在COVID-19组、H1N1组和对照组均未观察到肺泡水肿、急性炎症和鳞状上皮化生，而COVID-19组肺组织中存在2型肺细胞增生和毛细血管充血。
③ 在低病毒载量时SARS-CoV-2和pH1N1感染组织的转录组未发生明显变化。
④ COVID-19患者肺部中与炎症、I型干扰素（type I interferon，IFN）应答、凝血和血管生成相关的基因显著上调；SARS-CoV-2在肺中分布不均匀，高病毒载量区域（LN1和LN3）与IFN应答增加相关。
⑤ 分析控制样本中优势细胞类型、患者自身相关和患者间差异的情况下，重症pH1N1流感和COVID-19患者肺部差异表达基因数量非常有限（仅6个）。
⑥ 可区分细菌和病毒感染的血液生物标志物——干扰素相关基因IFI27，与pH1N1感染相比，在重症COVID-19肺部显著上调，有望用于区分重症COVID-19和其他病毒感染。（张梦淇/Lina）
研究流程图（UV：紫外线；TMA：组织芯片）
Profiling of lung SARS-CoV-2 and influenza virus infection dissects virus-specific host responses and gene signatures.
2022.06.02, DOI: 10.1183/13993003.01881-2021.
研究文章；疾病病理；人，肺，临床，病毒，感染，COVID-19, H1N1, SARS-CoV-2，空间转录组，病理，免疫反应；Arutha Kulasinghe, Chin Wee Tan, Anna Flavia Ribeiro dos Santos Miggiolaro, Kirsty R. Short, Melissa J. Davis, Fernando Souza-Fonseca-Guimaraes, Gabrielle T. Belz, Ken O’Byrne; Queensland University of Technology, The University of Queensland Diamantina Institute, The Walter and Eliza Hall Institute of Medical Research, University of Melbourne, Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUCPR); Australia, Brazil.
肺空洞中耐多药结核分枝杆菌-宿主互作免疫调控网络
American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine [IF: 21.405]
① 对耐多药结核病（tuberculosis，TB）患者（n=14）和非结核病对照组（n=10）的肺腔内8个位置活检，进行RNA-seq、免疫组化分析和Mtb (结核分枝杆菌)载量测定，从而研究免疫网络和载菌量（bacterial burden）之间关系，鉴定到60种不同的高表达通路，这些通路可作为宿主定向治疗和传播预防干预的潜在靶点。
② 术前PET-CT扫描显示，肺病变空腔体积中位数为50 cm3（15~389 cm3），RNA-seq数据（31%的剪接变异）定位到19,049个注释的人类基因，基于此，建构了沿TB空腔空间映射的非线性动态“sink”模型，用于绘制沿肺腔不同通路之间的相互作用。
③ 空腔壁中多种促炎通路上调，而空腔中心下调的“sink”代表了53%（32/60）的通路，包括神经内分泌信号、钙信号、触发骨髓细胞-1表达的受体、活性氧和氮的产生、维甲酸介导的凋亡和RIG-I-like受体信号通路。
④ 神经内分泌、丝氨酸/苏氨酸特异性蛋白激酶C-θ、髓系细胞-1信号通路上表达的触发受体以及巨噬细胞和中性粒细胞数量与Mtb载量呈高度正相关（r＞0.6），而T辅助效应系统无相关性。（贺磊/Lina）
Spatial network mapping of pulmonary multidrug-resistant tuberculosis cavities using RNA sequencing.
2019.08.01, DOI : 10.1164/rccm.201807-1361OC.
研究文章；疾病病理；人，肺，感染，结核病，结核分枝杆菌，耐药，RNA-seq; Keertan Dheda, Tawanda Gumbo; University of Cape Town, London School of Hygiene and Tropical Medicine, Baylor University Medical Center, University of Texas Southwestern Medical Cente, South Africa, United Kingdom, USA.
巨细胞病毒感染胞内组装增殖区的发生机制
Frontiers in Cell and Developmental Biology [IF: 6.684]
① 使用一组64个膜性细胞器系统的标记物，通过免疫荧光对感染小鼠巨细胞病毒CMV（murine CMV，MCMV）的组装室（assembly compartment，AC）进行了动态表达分布分析，发现52个标记物参与膜形成级联调节，并被募集到细胞膜上。
② MCMV感染广泛地重组了早期核内体（early endosomes，EE）、核内体回收室（endosomal recycling compartment，ERC）和跨高尔基体网络（the trans-Golgi network，TGN）之间的界面，进而控制细胞膜流动的宿主细胞因子的过度聚集，扩展形成各种EE-ERC-TGN中间体，并填充了iAC大部分区域。
③ AC的生物发生由MCMV早期基因控制，但对感染早期阶段的宿主细胞转录组和蛋白表达的分析表明，标记物的基因表达量未发生显著改变。（张睿/Lina）
注：被病毒糖蛋白负载的膜细胞器所限制的整个感染细胞区域可以被认为是AC。研究人员将包含顺式/中高尔基体和病毒包膜糖蛋白负载的反式高尔基体的环内区域称为内AC（inner AC，iAC）。
MCMV感染过程中膜细胞器重排的最早标志
Cytomegalovirus generates assembly compartment in the early phase of infection by perturbation of host-cell factors recruitment at the early endosome/endosomal recycling compartment/trans-golgi interface.
2020.09.11, DOI: 10.3389/fcell.2020.563607.
研究文章；疾病病理，生命机理；小鼠，感染，巨细胞病毒，亚细胞结构，病毒粒子组装间室，内体循环室，Rab蛋白；Pero Lučin; University of Rijeka; Croatia.
PD-L1表达指征人类皮肤利什曼病治疗和用药
The Journal of Clinical Investigation [IF: 14.808]
① 在SSG（葡萄糖酸锑钠）治疗前和治疗期间，6例典型的同质结节-溃疡性皮肤利什曼病（Cutaneous leishmaniasis，CL）病变患者（男、女各3例）的全血和病变部位RNA-seq，在病变部位中鉴定到120个的差异表达基因（differentially expressed genes，DEGs），而在全血中未检测到DEGs，表明CL不伴有明显的系统性免疫反应。
② 多重抗体DSP（digital spatial profiling）59个免疫靶点分析、结合定量免疫组化和RNA-FISH原位验证发现，大量未感染CD68+细胞，促进了CL病灶中PD-L1（programmed death-ligand 1）和IDO1（indoleamine 2,3-dioxygenase 1）的表达，且胞内寄生，会使得病灶内单核细胞和巨噬细胞中PD-L1和IDO1表达升高。
③ PD-L1而非IDO1的早期表达降低，可以预测临床治愈率（HR = 4.88）；SSG治疗后早期，PD-L1表达的变化可作为提示用药标志物，指导逐渐减少或停止用药。（Kst-Les）
注：利什曼原虫（Leishmania donovani）寄生在皮肤，造成皮肤损害，称作皮肤利什曼病（Cutaneous leishmaniasis，CL）。
主要发现示意图
Early reduction in PD-L1 expression predicts faster treatment response in human cutaneous leishmaniasis.
2021.11.15, DOI: 10.1172/JCI142765.
研究文章；疾病病理；人，皮肤，原虫，感染，利什曼病，PD-L1, SSG治疗, RNA-FISH; Nidhi S. Dey, Sujai Senaratne; University of York, University of Sri Jayewardenepura; UK, Sri Lanka.
生信工具
Bioinformatics Tools
TraCeR: 单细胞转录组数据重建TCR序列全长
Nature Methods [IF: 28.547]
① 开发了一种从scRNA-Seq数据中重建全长TCR序列的计算方法—— TraCeR（www.github.com/teichlab/tracer），以揭示T细胞和其转录谱之间的克隆关系。
② 对C57BL/6N小鼠脾脏分离、FACS分选的272个CD4+T细胞scRNA-seq数据测试，与基于PCR的TCR测序方法相比，TraCeR对TCRα和TCRβ重组位点的检测更为准确、灵敏。
③ 应用TraCeR分析伤寒沙门氏菌非致死性感染前后scRNA-seq数据，发现在感染后第14天和第7周小鼠脾脏中存在多个细胞组成的扩增CD4+ T细胞克隆型细胞群，表明TraCeR单细胞水平正确地检测到了TCR重组体，并成功用于此克隆群动态构成变化分析，绘制了其细胞发育轨迹。
④ 胸腺内T淋巴细胞发育过程分析发现，重组首先发生在TCRβ位点、并进行了增殖，随后发生在TCRα位点，从而确保从单一祖细胞产生的细胞都具有相同的TCRβ重组。（李泽坤）
注: V（D）J位点重组产生的T细胞受体（T cell receptor，TCR）具有高度遗传异质性，从而使T细胞可高度特异性识别抗原。
沙门氏菌感染小鼠1从第14天开始的克隆型网络图
T cell fate and clonality inference from single cell transcriptomes.
2016.03.07, DOI: 10.1038/nmeth.3800.
研究文章；生信工具，疾病病理；小鼠，脾脏，伤寒沙门氏菌，免疫，T淋巴细胞，T细胞受体，scRNA-Seq，TraCeR；Michael J.T. Stubbington, Tapio Lönnberg；European Bioinformatics Institute; UK.
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