利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)解析多種免疫細(xì)胞對(duì)大量細(xì)胞因子的響應(yīng)

編者按：

細(xì)胞因子，這些微小卻強(qiáng)大的信號(hào)分子，是免疫系統(tǒng)中的關(guān)鍵調(diào)控者，它們?cè)谡{(diào)節(jié)免疫反應(yīng)、炎癥過(guò)程以及細(xì)胞生長(zhǎng)和分化中扮演著至關(guān)重要的角色。然而，不同免疫細(xì)胞類型如何響應(yīng)特定細(xì)胞因子，以及這些響應(yīng)如何影響細(xì)胞狀態(tài)和功能，仍有許多未解之謎。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，將帶我們揭開謎團(tuán)。本文將展示如何利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)構(gòu)建全面的“免疫詞典”，系統(tǒng)解析多種免疫細(xì)胞對(duì)大量細(xì)胞因子的響應(yīng)，為開發(fā)新的免疫療法提供重要線索。

研究背景 

細(xì)胞因子在調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)方面至關(guān)重要，但不同免疫細(xì)胞如何響應(yīng)特定細(xì)胞因子及其對(duì)細(xì)胞狀態(tài)的影響尚不完全清楚。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)錄組學(xué)雖能提供基因表達(dá)數(shù)據(jù)，卻難以直接揭示觸發(fā)這些響應(yīng)的具體因素。為此，研究者采用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)，系統(tǒng)分析了多種免疫細(xì)胞對(duì)大量細(xì)胞因子的響應(yīng)，旨在建立全面的“免疫詞典”，以更好地理解免疫系統(tǒng)的復(fù)雜性，并為開發(fā)新療法提供依據(jù)。

文章詳情 

文章題目：Dictionary of immune responses to cytokines at single-cell resolution
中文題目：?jiǎn)渭?xì)胞分辨率的細(xì)胞因子免疫反應(yīng)詞典
發(fā)表時(shí)間：2024.01
期刊名稱：Nature
影響因子：50.5
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：10x Genomics單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序
DOI：10.1038/s41586-023-06816-9

研究結(jié)果 

1.免疫詞典

為了全面了解免疫細(xì)胞對(duì)各種細(xì)胞因子的響應(yīng)，研究人員使用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)系統(tǒng)地分析了小鼠淋巴結(jié)中超過(guò)17種免疫細(xì)胞類型對(duì)86種細(xì)胞因子的反應(yīng)。通過(guò)將重組細(xì)胞因子或磷酸鹽緩沖液注射到小鼠體內(nèi)，并在4小時(shí)后收集淋巴結(jié)樣本進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，研究生成了一個(gè)大規(guī)模擾動(dòng)的免疫系統(tǒng)數(shù)據(jù)集。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)分析，研究者識(shí)別出了每種細(xì)胞類型對(duì)特定細(xì)胞因子處理的差異表達(dá)基因(DEGs)，并發(fā)現(xiàn)大多數(shù)DEGs是上調(diào)而非下調(diào)的。此外，研究還繪制了一張圖譜，量化了每種細(xì)胞類型中細(xì)胞因子處理細(xì)胞與對(duì)照細(xì)胞之間的全局轉(zhuǎn)錄組變化。這張圖譜不僅捕捉到了已知的細(xì)胞因子靶標(biāo)，還揭示了許多新的響應(yīng)模式。

Fig1. “免疫詞典”

 
2.細(xì)胞類型特異性的細(xì)胞因子響應(yīng)

為了進(jìn)一步探索不同細(xì)胞類型對(duì)相同細(xì)胞因子的響應(yīng)，研究者進(jìn)行了以細(xì)胞因子為中心的分析。利用熱圖展示IFNβ、IL-1β和TNF等細(xì)胞因子誘導(dǎo)的基因表達(dá)變化，他們觀察到細(xì)胞因子能夠引起細(xì)胞類型特異性的基因表達(dá)改變。研究者還定義了由共同表達(dá)的基因組成的基因程序(GPs)，這些基因作為一個(gè)群體響應(yīng)細(xì)胞因子而上調(diào)。例如，I型干擾素如IFNα1和IFNβ幾乎在所有細(xì)胞類型中誘導(dǎo)了抗病毒GP，而IL-1α和IL-1β則觸發(fā)了高度細(xì)胞類型特異性的功能。此外，研究發(fā)現(xiàn)一些細(xì)胞因子引起的響應(yīng)可能是由于次級(jí)效應(yīng)導(dǎo)致的，強(qiáng)調(diào)了考慮因?qū)�單一�?xì)胞因子的復(fù)雜體內(nèi)免疫反應(yīng)而對(duì)非目標(biāo)細(xì)胞類型快速誘導(dǎo)的次級(jí)效應(yīng)的重要性。

Fig2. 細(xì)胞因子誘導(dǎo)細(xì)胞類型特異性轉(zhuǎn)錄組反應(yīng)

 
3.細(xì)胞因子驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞極化狀態(tài)

為了確定細(xì)胞因子誘導(dǎo)的細(xì)胞狀態(tài)，研究者從細(xì)胞類型的角度分析了免疫詞典。通過(guò)亞聚類每個(gè)免疫細(xì)胞類型，研究者定義了66種主要的極化狀態(tài)，這些狀態(tài)在細(xì)胞因子處理的細(xì)胞中顯著富集，并且表達(dá)有意義的生物程序。例如，巨噬細(xì)胞可以被不同的細(xì)胞因子驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榇傺譓1樣或修復(fù)性M2樣狀態(tài)，而NK細(xì)胞在IL-18的作用下表現(xiàn)出獨(dú)特的基因上調(diào)現(xiàn)象。此外，研究顯示B細(xì)胞和T細(xì)胞也可以通過(guò)細(xì)胞因子極化來(lái)表達(dá)多樣化的基因程序�？傮w而言，這些發(fā)現(xiàn)揭示了所有免疫細(xì)胞類型的可塑性以及細(xì)胞因子如何影響它們的狀態(tài)。

Fig3. 細(xì)胞因子驅(qū)動(dòng)每種細(xì)胞類型的不同極化狀態(tài)

 
4.細(xì)胞因子產(chǎn)生-響應(yīng)圖

為了更好地理解每種細(xì)胞類型的細(xì)胞間通訊，研究者通過(guò)量化所有基線條件和細(xì)胞因子刺激條件下相應(yīng)轉(zhuǎn)錄水平的平均值來(lái)確定每種細(xì)胞因子的產(chǎn)生來(lái)源。成纖維網(wǎng)狀細(xì)胞(FRCs)和其他稀有細(xì)胞類型表達(dá)了大量細(xì)胞因子，表明它們?cè)诿庖呒?xì)胞間通信網(wǎng)絡(luò)中的重要性�；�于細(xì)胞因子產(chǎn)生水平和細(xì)胞因子響應(yīng)，研究者構(gòu)建了一個(gè)細(xì)胞-細(xì)胞互作組，描繪了免疫系統(tǒng)中存在的細(xì)胞-細(xì)胞通訊通道。這個(gè)互作組揭示了細(xì)胞通過(guò)細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)在體內(nèi)相互作用的多樣化方式。

Fig4. 細(xì)胞因子生成圖（按細(xì)胞類型）

 
5.免疫響應(yīng)富集分析

為了解決轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)無(wú)法直接揭示觸發(fā)細(xì)胞狀態(tài)及其功能的因素的問(wèn)題，研究者開發(fā)了免疫響應(yīng)富集分析（IREA）軟件。IREA通過(guò)統(tǒng)計(jì)測(cè)試評(píng)估轉(zhuǎn)錄組中細(xì)胞極化或細(xì)胞因子特征的富集情況，從而推斷出細(xì)胞-細(xì)胞通訊網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用IREA于接受抗PD-1治療的小鼠腫瘤免疫細(xì)胞數(shù)據(jù)集，研究者發(fā)現(xiàn)單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞傾向于IFNγ誘導(dǎo)的M1樣狀態(tài)，而NK細(xì)胞則傾向于細(xì)胞毒性狀態(tài)。此外，IREA還應(yīng)用于嚴(yán)重COVID-19感染的數(shù)據(jù)，揭示了B細(xì)胞和T細(xì)胞對(duì)細(xì)胞因子的響應(yīng)。這些結(jié)果表明IREA能夠推斷出觸發(fā)細(xì)胞響應(yīng)的關(guān)鍵分泌因子，并生成復(fù)雜免疫響應(yīng)背后的分子模型。

Fig5. IREA能夠根據(jù)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)推斷細(xì)胞因子活動(dòng)、免疫細(xì)胞極化和細(xì)胞間通訊

 
主要結(jié)論 

本研究利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)生成了超過(guò)17種免疫細(xì)胞類型對(duì)86種細(xì)胞因子反應(yīng)的“免疫詞典”。從細(xì)胞因子的角度來(lái)看，詞典顯示大多數(shù)細(xì)胞因子誘導(dǎo)高度細(xì)胞類型特異性的反應(yīng)。從細(xì)胞類型的角度看，該詞典識(shí)別出了超過(guò)66種由細(xì)胞因子驅(qū)動(dòng)的跨免疫細(xì)胞類型的極化狀態(tài)，包括以前未被描述的狀態(tài)�；�于這個(gè)詞典，研究者開發(fā)了配套軟件——免疫響應(yīng)富集分析，用于評(píng)估基因表達(dá)數(shù)據(jù)中的細(xì)胞因子活動(dòng)和免疫細(xì)胞極化，并應(yīng)用它來(lái)揭示免疫檢查點(diǎn)阻斷療法后腫瘤中的細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)。這份詞典提出了關(guān)于細(xì)胞因子功能的新假設(shè)，闡明了細(xì)胞因子的多效性效應(yīng)，擴(kuò)展了對(duì)每種免疫細(xì)胞激活狀態(tài)的認(rèn)識(shí)，并提供了一個(gè)框架來(lái)推斷特定細(xì)胞因子和細(xì)胞間通信網(wǎng)絡(luò)在任何免疫反應(yīng)中的作用。

> 參考文獻(xiàn)：
Cui, Ang et al. “Dictionary of immune responses to cytokines at single-cell resolution.” Nature vol. 625,7994 (2024): 377-384.