当复杂的免疫系统遇上单细胞时空组 | 时空简讯19期
时空简讯第19期。
免疫细胞包括参与免疫应答或与免疫应答有关的细胞，是免疫系统的主要组成部分，免疫细胞的构成、产生及其分化高度多样性也十分复杂。当免疫系统一旦发现有细菌、病毒的入侵或自体变异衰老的细胞时，免疫细胞会立即响应，通过各种方式（如吞噬）保证机体健康；如果免疫系统功能低下或紊乱，就极易导致疾病的发生。在此，本期遴选了2篇综述和8篇应用单细胞和时空转录组研究免疫系统及免疫相关疾病的文章，涉及到免疫细胞/组织发育、免疫调节机理、自身免疫疾病病理等，供有兴趣的读者朋友们了解和参考。
综述
Review
CD8+T细胞功能障碍的分子机制
Trends in Immunology [IF: 16.687]
① 在慢性疾病中，如慢性病毒感染和癌症，效应 CD8+T细胞逐渐“耗竭”或功能失调，导致其效应功能发生缺陷，包括细胞毒性和促炎细胞因子 [白细胞介素-2（IL-2）、肿瘤坏死因子-a（TNF-a）、干扰素（IFN-g）]，且可产生免疫抑制细胞因子IL-10；功能失调的CD8+T细胞是成功抗病毒和抗肿瘤免疫的障碍和不利因素。
② 阐述了病毒和癌症相关的CD8+T细胞功能障碍之间有很大的相似性，许多共抑制受体（co-inhibitory receptor）的高表达，包括PD-1、Tim-3、CTLA-4、Lag-3、TIGIT、BTLA、2B4和CD160与CD8+T细胞功能障碍相关，而这些受体的共表达程度与功能失调的CD8+ T细胞表型的严重程度直接相关。
③ 结合已有研究成果，定义了T细胞功能障碍和激活的四个基因模块：功能障碍（非激活）、激活（非功能障碍）、功能障碍与激活、非功能障碍且非激活模块，并详细介绍了前三个基因模块。
④ 通过单细胞的mRNA转录谱聚类，可以识别具有相似转录状态的不同细胞群，描述了肿瘤内CD8+T细胞应答存在广泛的转录异质性。
⑤ 从转录因子、表观遗传学、时空变量（temporal and spatial variables）角度，介绍了有关CD8+T细胞功能障碍调控的研究进展。
⑥ 指出表达与不同功能相关基因模块、处于不同状态的CD8+T细胞，随着时间的推移和对免疫治疗的应答和改变特征，具有临床预后价值。（王美琪/Lina）
肿瘤浸润CD8+ T细胞的空间组织
Molecular dissection of CD8+ T-cell dysfunction.
2017.06.26, DOI: 10.1016/j.it.2017.05.008
综述；疾病病理，癌症科学；CD8+， T细胞，单细胞转录组，空间，snRNA-seq；Chao Wang, Ana C. Anderson, Harvard Medical School and Brigham and Women’s Hospital, USA.
自体抗原组学：自体抗原库的整体表征方法及其应用
Autoimmunity Reviews [IF: 9.754]
① 提出“自体抗原组学” 概念，作为一个新的组学子类别，即整合组学和自体抗体筛选方法。
② 提倡通过一种系统的“组学”的方式（omics-like）处理整个自体抗原库（autoantigen repertoires），来扩大对自体免疫疾病的研究视野和认识，从而全面捕获具有高度多样性的靶标抗原集合，并为更全面地理解与抗体相关的体液免疫协调反应特征奠定基础。
③ 介绍蛋白质微阵列、噬菌体显示或质谱免疫沉淀等自体抗原的高通量筛选技术。
④ 阐述了自体抗原组学的概念，描述了它的根源和应用选择，并将其与如系统血清学或免疫相关转录组学和蛋白质组学等区分开来。
⑤ 提议可将以下方法应用于自体抗原库研究：主成分分析，层次聚类分析，偏最小二乘判别分析或正交预测潜在结构判别分析，疾病组和临床亚组的库大小分析，过表达分析，特定库的靶标通路分析，以及机器学习方法等。用于识别具有某些功能或空间特性的自身抗原簇，或可能有患者分层价值的抗原粗簇；通过一种有监督的方式，用于生成预测模型，助力诊断、治疗和预后。（张梦淇/Lina）
综述阐述思路和主要内容
Autoantigenomics: Holistic characterization of autoantigen repertoires for a better understanding of autoimmune diseases.
2019.12.12, DOI: 10.1016/j.autrev.2019.102450
综述；疾病病理；抗原组学，自身抗原组学，自身抗体库，蛋白质微阵列；Christian P. Moritz；Faculty of Medicine Jacques Lisfranc, University Jean Monnet, University of Lyon, France.
胸腺和外周
Thymus & Peripheral Immune
胸腺发生中的细胞类型及其发育轨迹
Immunity [IF: 31.745]
① 应用Drop-seq技术（Droplet-based scRNA-seq技术），分析小鼠出生8 d内（E12.5、E13.5、E14.5、E15.5、E16.5、E17.5、E18.5、P0）早期胸腺器官发生发育、T细胞受体重排的变化和体外培养器官，共获得了24,279个细胞，聚类为10个细胞群，构建了胸腺单细胞转录组图谱；应用了遗传和小分子扰动，利用细胞图谱作为检测其细胞和分子响应的蓝图。
② 分析小鼠胸腺发育相关的信号通路和转录本，表征了体内胸腺上皮细胞的成熟动力学。
③ 对胸腺器官培养中的细胞成熟度进行了分类，揭示胸腺上皮在外源视黄酸（retinoic acid）的作用下仍能正常发育。
④ 通过小鼠胸腺细胞图谱与人类全基因组关联研究数据、自身免疫疾病相关基因整合分析，提出胚胎胸腺驻留细胞可能是与自身免疫疾病的病因之一。（南措吉）
研究设计及主要发现
A single-cell transcriptomic atlas of thymus organogenesis resolves cell types and developmental maturation.
2018.06.05, DOI: 10.1016/j.immuni.2018.04.015
研究文章；生命发育；小鼠，胸腺，发育，免疫，视黄酸，Drop-seq；Eric M. Kernfeld, Ryan M.J. Genga, RenéMaehr, University of Massachusetts Medical School, USA.
调节性T细胞的单细胞转录组学揭示组织适应的轨迹
Immunity [IF: 31.745]
① 对小鼠皮肤、结肠及其各自的引流淋巴结（lymph nodes，LNs）、以及脾脏中的CD4+调节（Treg）和记忆（Tmem）T细胞进行scRNA-seq，获得35,000个单细胞数据，表征了Treg细胞异质性与其被募集到非淋巴组织（non-lymphoid tissues，NLTs，皮肤和结肠）之间的关系。
② 表征和比较了LTs（脾脏、bLN、mLN）和NLT发Treg细胞异质性构成，在NLT中发现了一个占比较高的亚群，推测由在LTs中有对应的亚群（启动priming）分化、迁移，和局部免疫适应有关。
③ 拟时序分析和基因动力学分析一致地揭示了Treg细胞从LNs向屏障组织（如皮肤、结肠）过渡过程中发生的转录组适应；肠系膜淋巴结（bLN）-皮肤和臂部淋巴结（mLN）-结肠的迁移适应中遵循着共有的调节程序。
④ 利用黑色素瘤小鼠模型，分析Treg细胞募集到黑色素瘤过程，再现了稳态NLT适应程序。
⑤ 分析了人血液和NLT中的 Treg细胞和Tmem细胞，并比较确定了跨哺乳动物的保守组织特征，如发现NLT Treg细胞的一些同源蛋白质（Rgs1-Rgs2、Hif1a-Hif3a）已经进化为可以相互替代。（于鑫/Lina）
研究设计及主要发现
Single cell transcriptomics of regulatory T cells reveals trajectories of tissue adaptation.
2019.02.05, DOI: 10.1016/j.immuni.2019.01.001
研究文章；生命机理；小鼠，人，皮肤，结肠，非淋巴细胞，Treg细胞，组织适应，scRNA-seq；Ricardo J. Miragaia, Tomás Gomes, Agnieszka Chomka, Sarah A. Teichmann; Wellcome Genome Campus, University of Oxford, University of Cambridge, University of Minho; UK, Portugal.
骨髓及造血功能
Bone-Marrow & Hematopoietic Function
骨髓分子、细胞和空间层面的生态位结构
Nature Cell Biology [IF: 28.824]
① 结合scRNA-seq和空间转录组学，系统地绘制了小鼠不同骨髓（bone marrow，BM）生态位的分子、细胞和空间组成，并为解剖整个器官的复杂组织提供了一个系统的方法。
② 基于液scRNA-seq，分析小鼠全部BM细胞，获得7,497个单细胞，聚类为32个细胞群，构建了所有主要BM细胞群（包括树突状细胞、中性粒细胞、单核细胞、T细胞和不同发育阶段的B细胞）的分子图谱。
③ 使用空间转录组（LCM-seq）结合计算工具，将细胞类型定位到不同的BM生态位，确定了细胞间相互作用的信号传导介质（如细胞因子、生长因子等），并确定了生态位相关因子（niche factors）的细胞和空间来源。
④ Cxcl12-abundant-reticular（CAR）细胞亚群（Adipo-CAR和Osteo-CAR）分别定位于窦和小动脉表面，在局部作为“专业的细胞因子分泌细胞”，建立了血管周围的微生态位。
⑤ 开发了RNA-Magnet算法，可从全骨髓scRNA-seq数据准确地重构主要细胞类群在骨髓中的3D空间分布。（逄慧/Lina）
研究技术路线
Combined single-cell and spatial transcriptomics reveal the molecular, cellular and spatial bone marrow niche organization.
2019.12.23, DOI: 10.1038/s41556-019-0439-6
研究文章；生命结构；小鼠，骨髓，细胞类型，scRNA-seq，空间转录组；Chiara Baccin, Jude Al-Sabah, Lars Velten, Lars M. Steinmetz, Andreas Trumpp, Simon Haas; European Molecular Biology Laboratory (EMBL), EMBL and Heidelberg University, Germany.
多组学揭示人类白血病骨髓微环境
Cell Reports [IF: 9.423]
① 使用多组学（高通量RNA测序、分泌组分析）和计算工具来分析多发性骨髓细胞（bone-marrow，BM）的微环境分区（environmental compartments），并通过用于BM生态位研究的小鼠和免疫缺陷小鼠回交，破译BM在急性髓系白血病（acute myeloid leukemia，AML）异种移植中的相互作用。
② 应用BM生态位细胞基因表达谱，定义了8个功能基因表达簇（簇1~8），通过对生物过程和细胞功能的分析，识别不同亚群的细胞身份和功能，并揭示了它们在稳态造血过程中的特定基因表达特征。
③ 使用成熟的AML患者来源的异种移植物模型 (patient-derived xenograft)，检测了在AML发展过程中BM转录组谱是如何改变的，并且确定了间质室中早期疾病发作解除控制的失调基因。
④ AML中BM蛋白组分泌组与转录组数据整合分析，可以预测人类AML中涉及生态位改变的信号节点，如，参与单核细胞趋化性的趋化因子的增加与失调的间充质生态位相互作用，而与中性粒细胞功能相关的介质减少与骨内皮生态位相关。（PSS）
不同生态位成分和骨髓分泌组之间的配体-受体相互作用组图
Integrated OMICs unveil the bone-marrow microenvironment in human leukemia.
2021.05.11, DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109119
研究文章；疾病病理，癌症科学；白血病，骨髓，微环境，多组学，RNA-seq, Secretome; Diana Passaro, Manuel Garcia-Albornoz, Giovanni Diana, Probir Chakravarty, Dominique Bonnet; The Francis Crick Institute, Pasteur Institute, UK.
LCM-seq鉴定参与造血干细胞发育的分泌因子EDN1
Cell Stem Cell [IF: 24.633]
① 激光捕获显微解剖结合LCM-seq，研究背主动脉（aorta，Ao）的背-腹（dorsal-ventral，D-V）分子差异，包括腹侧主动脉内造血细胞簇（intra-aortic hematopoietic cell clusters，IAHC）形成的细胞层，表征了发育中的造血干细胞（hematopoietic stem cells，HSC）生态位，并确定了参与早期人类HSC发育的分泌因子。
② 进一步scRNA-seq分析，获得2,379个单细胞，生成了20个细胞簇，揭示了Ao丰富的细胞异质性，确定了一个由5个表达静脉标记物（APLNR+, COUPTF2+）和松散连接的大动脉细胞簇（GJA5+、HEY2+、上调Notch信号）的群体组成的中央内皮网络。
③ 人HSC发育微环境空间转录组，鉴定了腹侧富集的心脏EGF通路，该通路中主要的分泌因子内皮素1（endothelin 1，EDN1）表现出显著的腹侧富集。
④ 加入EDN2(和REN1)显著促进了小鼠HSC的发育；进一步使用人胚胎干细胞培养系统，发现EDN1显著增加了早期多能HSC的数量，揭示了EDN1是人类HSC细胞发育的重要分泌因子。（Trans F）
研究内皮素对小鼠和人类造血功能的影响试验策略
Single-cell transcriptomic analysis reveals a hepatic stellate cell-activation roadmap and myofibroblast origin during liver fibrosis in mice.
2021.08.21, DOI: 10.1002/hep.31987
研究文章；疾病病理；小鼠，肝脏，肝纤维化，肝星状细胞，肌成纤维细胞，scRNA-seq; Wu Yang, Hao He；中国科学院上海有机化学研究所，中国科学院大学，中国
创伤反应的单细胞转录组分析及患者分类
JCI Insight [IF：8.315]
① 对创伤后3 h、6 h、24 h小鼠的骨髓细胞、外周血单核细胞（PBMC）和创伤后4 h内、24 h、72 h人PBMC进行scRNA-seq，构建了严重损伤后髓系单核细胞转录组模式动态变化图谱，并根据细胞特征预测包括创伤、烧伤、败血症在内等损伤的预后，确定了具有潜在预后价值的患者亚型以及细胞水平的关键转录因子调控网络。
② 时序分析，发现损伤后髓系Ly6C+/CD14+单核细胞状态剧烈变化：在小鼠中，创伤介导的单核细胞变化是骨髓来源的，且具有诱导免疫炎性、稳态抑制和中性粒细胞相关基因上调表达的特征，中性粒细胞具有相似变化但幅度稍弱。
③ 根据调节子/转录因子分析，人类单核细胞变化可总结为6个特征：C1~C3基因集是创伤介导的，并与先天免疫反应、含氧化合物、炎性反应、造血条件有关；C4~C6与稳定状态相关，其中C4基因集与干扰素特异性程序有关，C5基因集主要为MHC II类分子，C6基因集仅有8个基因而无法对功能富集，根据这些特征可以区分创伤后患者的不同预后。
④ 创伤早期，人和小鼠之间单核细胞差异表达基因具有保守性，且共享多种关键转录因子和信号通路。
⑤ 根据单核细胞特征基因制定了固有偏差分数（intrinsic deviation score），以评估创伤后单核细胞基因表达从稳定状态开始发生连续变化，发现烧伤、败血症等急性免疫损伤具有类似的表达模式。（舟江海）
创伤免疫反应单细胞研究内容示意图
A road map from single-cell transcriptome to patient classification for the immune response to trauma.
2021.01.25, DOI: 10.1172/jci.insight.145108
研究文章；疾病病理；小鼠，外周血，骨髓，创伤，烧伤，败血症，炎症，天然免疫，手术, scRNA-seq；Tianmeng Chen, Wei Chen, Timothy R Billiar；University of Pittsburgh, University of Pittsburgh School of Medicine; USA.
神经免疫
Neuroimmunity
坐骨神经中的巨噬细胞亚群及其定位和损伤应答
Nature Neuroscience [IF: 24.884]
① 通过遗传谱系追踪、联体共生（parabiosis）和屏蔽照射实验，对健康和损伤的坐骨神经巨噬细胞（sciatic nerve Macs，snMacs）进行个体发育、转录组和空间表征，发现snMacs与中枢神经系统（central nervous system，CNS）小胶质细胞（大脑中一种常驻的巨噬细胞），在发育来源、基因表达和对损伤应答方面具有显著差异，为外围神经系统（peripheral nervous system，PNS）Macs功能性研究提供依据和方法学工具。
② scRNA-seq结合流式细胞仪和显微成像验证，在小鼠稳态坐骨神经中鉴定到两种主要的snMacs亚群：神经外膜Relmα+Mgl1+ snMacs和神经内膜Relmα- Mgl1- snMacs，且两者具有显著的基因表达和解剖学上的空间分布差异。
③ 小鼠坐骨神经损伤后第1天和第5天进行scRNA-seq，发现在Wallerian变性过程中，两种snMac亚群的损伤后应答不同：神经外膜Relmα+Mgl1+ snMacs对神经损伤没有显著应答，而神经内膜Relmα- Mgl1- snMacs通过产生单核细胞化学引诱剂（chemoattractants）响应，以修复损伤。
④ 发现用于研究CNS小胶质细胞的方法对于PNS Macs不一定适用。（夏老师）
注：巨噬细胞被认为是免疫系统中可塑性最强的细胞之一，具有极强的组织留驻适应性，并在组织炎症或应激时发生显著变化。
坐骨神经巨噬细胞的独特基因表达谱
Profiling peripheral nerve macrophages reveals two macrophage subsets with distinct localization, transcriptome and response to injury.
2020.04.13, DOI: 10.1038/s41593-020-0618-6
研究文章；生命结构，疾病病理；小鼠，外周神经系统，坐骨神经，巨噬细胞，scRNA-seq，空间转录组；Elke Ydens, Lukas Amann, Marco Prinz, Sophie Janssens, Martin Guilliams; Institute Born Bunge, University of Antwerp, VIB Center for Inflammation Research, University of Freiburg; Belgium, Germany.
时空技术
Spatio-Temporal Technology
PolyloxExpress条形码解析造血干细胞克隆的命运
Cell Stem Cell [IF：24.633]
① 设计了一种Cre重组酶依赖、内源性RNA条形码标记系统——PolyloxExpress，在基因组水平改造研发了Rosa26PolyloxExpress小鼠：通过Cre驱动Polylox DNA底物序列中的loxP位点侧翼的随机缺失或倒位，从而形成DNA条形码序列，可转录为mRNA，报告和标记细胞实现谱系追踪。
② 使用PolyloxExpress，分析出生后7~20周的小鼠，研究单个HSC克隆的命运（通过比较HSC和成熟谱系中的条形码）和转录组（通过scRNA-seq和条形码匹配），发现分化不活跃、多谱系和谱系受限的HSC克隆位于造血功能转录全图谱的不同区域，表明可区分与HSC命运相关的转录特征。
③ 在一个克隆中产生的短寿命祖细胞（short-lived progenitors）的种类，与成熟的HSC子代是一致和匹配的（祖细胞的分布无一例外地与由外周细胞条形码定义的HSC克隆的命运相一致），表明HSC的命运随着时间的推移是稳定的。（胡杰/Lina）
研究背景及主要发现
Resolving fates and single-cell transcriptomes of hematopoietic stem cell clones by PolyloxExpress barcoding.
2020.09.03, DOI: 10.1016/j.stem.2020.07.018
研究文章；时空技术，生命机理；小鼠，造血干细胞，命运决定基因，scRNA-seq；Weike Pei, Fuwei Shang, Xi Wang, Thorsten B. Feyerabend, Thomas Höfer, Hans-Reimer Rodewald; German Cancer Research Center, Heidelberg University; Germany.
系列导读
● 9篇综述+研究，涵盖肝发育、生理和疾病 | 时空简讯18期
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