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Nature Cell Biology: 新冠患者抗病毒免疫缺陷
嚴重急性呼吸系統(tǒng)綜合癥冠狀病毒-2 (SARS-CoV-2) 感染是 2019 年冠狀病毒病 (COVID-19) 的起源，炎癥反應加劇、持續(xù)的病毒載量和抗病毒防御途徑缺陷等疾病惡化因素可能導致急性呼吸衰竭、敗血癥和死亡。因此，確定潛在的細胞和分子機制對于了解 COVID-19 病理生理學和指導適當療法的開發(fā)至關(guān)重要。本研究收集了 15 名中度或重度 COVID-19 肺炎患者在入住重癥監(jiān)護病房后的第 1 天和第 4 天的血液，利用單細胞測序技術(shù)生成了一個抗原呈遞細胞（APCs） 的獨特數(shù)據(jù)集，發(fā)現(xiàn)了重癥患者特定 APCs 抗病毒免疫防御的多過程缺陷, 并提出恢復有缺陷的免疫防御的策略。本研究題目為Single-cell RNA sequencing of blood antigen-presenting cells in severe COVID-19 reveals multi-process defects in antiviral immunity，2021年5月份發(fā)表在Nature Cell Biology（IF=28.820）。
1.COVID-19患者APCs亞群分布
為了刻畫循環(huán)血中的抗原呈遞細胞分子譜，作者從5個中度新冠患者、10個重度新冠患者中，分別在患者入院第一天和第四天取外周血，同和健康對照樣本單細胞分選后進行10X單細胞測序。對細胞cluster進行經(jīng)典marker的手工注釋，UMAP分析展示了42784個抗原呈遞細胞的分群信息，總共分為六個亞群，并且這種分群獨立于新冠疾病進程的嚴重程度。至此，作者構(gòu)建了新冠患者APCs的全面圖譜。
2.炎性相關(guān)的通路是COVID-19抗原呈遞細胞的hallmark
接下來作者在不同新冠嚴重程度的APCs中進行差異表達分析，利用差異表達基因進行功能富集分析，試圖識別區(qū)分不同嚴重程度組和健康對照的功能通路。作者發(fā)現(xiàn)中度COVID-19患者的APCs中富集了IFN-γ和IFN-α應答通路，而重度COVID-19患者的APCs則富集到缺氧和TNF-α信號通路。此外，IFN-γ和IFN-α通路可以在全局水平上區(qū)分中度和重度APCs，這表明與中度APCs相比，重度APCs的抗原呈遞和抗病毒活性減少。
3.COVID-19 抗原呈遞細胞中IFN反應缺陷
有報道稱COVID-19中炎癥細胞因子升高，因此作者探討了APCs對炎癥細胞因子及其受體表達的貢獻。與健康人APCs相比，不同嚴重程度的新冠樣本中IL1B、CXCL2、CXCL8和CCL3均顯著升高，而IL18均降低。TGFB1和IL10RA的表達在重度新冠中降低，但在中度新冠沒有降低。此外，作者發(fā)現(xiàn)IFNL1、IFNL1R、IFNAR1、IFNAR2、IFNA1、IFNGR1和IFNGR2的表達水平，并通過熱圖進一步探討了它們在三種嚴重程度組中的分布，重度新冠患者的APCs表達較低水平的IFN分子，表明IFN信號通路存在潛在缺陷，IFN在嚴重COVID-19 APCs中的下游功能出現(xiàn)了全局擾動。
4.嚴重COVID-19 pDCs中的多進程效應缺陷
在整體層面分析COVID-19 APCs后，作者試圖解讀特定APCs亞群中發(fā)生的變化。為了描述pDC亞群中發(fā)生的變化，作者分離并重新聚類了pDC，并在三個不同嚴重程度的分組中進行兩兩差異表達。重度新冠患者IFNG、IFNA以及MYC通路均比較低，并且通過多種機制實現(xiàn)的，說明了重度COVID-19 pDC效應通路多進程缺陷。
5.單核細胞亞群的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)錄適應過程
通過獨立成分分析進行降維分析，并根據(jù)其疾病嚴重程度分組突出顯示細胞。作者觀察到IC1可以清晰地將中度CD14+細胞和重度CD14+單核細胞分離出來，而IC2將健康對照與COVID-19 CD14+單核細胞區(qū)分開來。此外，中度患者單核細胞亞群中抗病毒ISGs (IFITM1, IFITM3, IFI27, MZB1和IFI6)和HLA-II基因(HLA-DRB5)的表達水平均增加了，表明這是一個有效的抗病毒方案。對IC1和IC2的前50個基因的功能富集分析確定了關(guān)鍵途徑，包括補體生成、TNF-α、KRAS、缺氧信號通路在新冠患者單核細胞中上調(diào)，而IFN-α和IFN-γ應答信號通路在重度新冠中降低?？偟膩碚f，疾病相關(guān)的分子變化在CD16+和CD14+的細胞中能被平行觀察到，提示這兩種細胞具有共同的適應機制。
6.CLEC9A+ DC和AS-DC特異性轉(zhuǎn)錄改變
得益于細胞分選方法，作者又詳細探索了DC的兩種亞型：CLEC9A+ DC 和AS-DC。差異表達分析顯示，重度新冠AS-DC中顯著上調(diào)SEPT7和AREG，同時顯著下調(diào)HLA-DQA2基因和抗病毒IFI27。在尋找這些變化的上游調(diào)節(jié)機制時，使用Dorothea算法推斷TF活性，并使用Viper推理工具進行評分。這確定了大量高度不同的TF活性分數(shù)。在中度AS-DC中，作者觀察到IRF1、IRF9和STAT2的活性得分較高，據(jù)報道這些活性參與了ISG轉(zhuǎn)錄周期。CLEC9A+ DC亞群中的DEGs包括將中度和重度COVID-19患者與健康對照分離開的特異性轉(zhuǎn)錄特征，最重要的是CLEC9A+ DC在中重度患者中的分布支持前文所述的抗病毒免疫缺陷的問題。
7.CD1C+ DC中MHC-II和CIITA活性的下調(diào)
接下來作者聚焦于疾病誘導的CD1C+ DC的改變，首先探索了MHC-II相關(guān)基因的基因表達水平，注意到HLA-II基因的整體減少(主要是重癥COVID-19患者的HLA-DQA2和HLA-DRB5)。與健康對照相比，重癥患者CD1C+ DC的HLA-II特征顯著降低，這與重癥患者中上游MHC-II調(diào)控因子(包括RFX5、RFXANK和CIITA)表達降低有關(guān)。此外，激活RELA(NFKB超家族)和AP-1的TF活性較高，包括FOSL1、FOSL2和JUN，它們調(diào)控大量細胞過程，包括細胞存活、死亡和增殖。此外，作者還發(fā)現(xiàn)重癥COVID-19患者DC-T細胞通信的受到的干擾。
本文小結(jié)：
在本文中，我們對來自 COVID-19 患者的新鮮外周血的所有 APC 子集進行了高分辨率單細胞 RNA 測序 分析，對以前外周血單核細胞 (PBMC) scRNAseq 研究中未捕獲的罕見 DC 子集進行刻畫，揭示了重度 COVID-19患者以前未被發(fā)現(xiàn)的免疫多進程缺陷。
