Nature Immunology | 李程研究組與合作者發(fā)表中性粒細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和炎癥狀態(tài)下的單細(xì)胞發(fā)育和異質(zhì)性圖譜
020年7月27日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李程研究組與哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院羅鴻博研究組、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院血液學(xué)研究所馬鳳霞課題組合作在《Nature Immunology》雜志發(fā)表了題為“Single-cell transcriptome profiling reveals neutrophil heterogeneity in homeostasis and infection”的研究論文。
中性粒細(xì)胞是天然免疫系統(tǒng)的主要組成部分，作為循環(huán)白細(xì)胞中數(shù)量最多的細(xì)胞類型，是宿主抵御入侵細(xì)菌等病原體的第一道防線。然而，目前對(duì)中性粒細(xì)胞的分群主要是依靠經(jīng)典的形態(tài)學(xué)，中性粒細(xì)胞的異質(zhì)性一直存在爭(zhēng)議，沒有統(tǒng)一的認(rèn)知，這種分歧阻礙了中性粒細(xì)胞研究的發(fā)展。與其他血液和免疫細(xì)胞類型相比，中性粒細(xì)胞中基因表達(dá)的數(shù)量和水平較低，從技術(shù)層面上對(duì)RNA的捕獲更加困難。另外，由于中性粒細(xì)胞的半衰期只有15-20小時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)也提出了更高的要求。
圖一 左：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；右：小鼠穩(wěn)態(tài)下中性粒細(xì)胞分群
作者們通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，分別對(duì)小鼠穩(wěn)態(tài)下的骨髓、外周血和脾臟進(jìn)行中性粒細(xì)胞分離和單細(xì)胞RNA測(cè)序，并結(jié)合生物信息學(xué)方法建立了穩(wěn)態(tài)條件下的中性粒單細(xì)胞圖譜。按照發(fā)育成熟的順序，骨髓中的中性粒細(xì)胞可以分為5群，包括3個(gè)處于分裂階段的亞群(G0、G1、G2) 和2個(gè)分裂后的較成熟亞群(G3、G4)。作者們針對(duì)顆粒蛋白、細(xì)胞周期、殺菌功能等方面，詳細(xì)解析了每個(gè)群體的特征，并結(jié)合流式細(xì)胞標(biāo)記等方法驗(yàn)證了這些群體的存在。研究發(fā)現(xiàn)，雖然單細(xì)胞RNA測(cè)序定義的異質(zhì)性細(xì)胞群體與經(jīng)典形態(tài)學(xué)分群整體具有較高相關(guān)性，但是單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)能辨別出形態(tài)學(xué)相同、而轉(zhuǎn)錄組有差異的G3和G4粒細(xì)胞群體，增加了對(duì)骨髓成熟粒細(xì)胞異質(zhì)性的認(rèn)識(shí)。根據(jù)顆粒蛋白基因在亞群之間表達(dá)的異質(zhì)性，作者們提出了顆粒蛋白產(chǎn)生的“分選假說”（sorting mechanism），并通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析鑒定出了中性粒細(xì)胞發(fā)育過程中特異上調(diào)的新轉(zhuǎn)錄因子。
作者們接下來分析了外周血及脾臟中的中性粒細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)外周器官中主要存在3群具有不同轉(zhuǎn)錄組特征的成熟中性粒細(xì)胞PMNa、PMNb和PMNc。RNA速度（RNA velocity）分析揭示了這些成熟群體有不同的骨髓來源和復(fù)雜的群體間相互轉(zhuǎn)化關(guān)系：1）PMNa和PMNb主要分別由骨髓的G3和G4發(fā)育而來；2）PMNa和PMNb均可發(fā)育成PMNc，但是PMNa和PMNb之間很少有轉(zhuǎn)化發(fā)生。利用免疫熒光成像技術(shù)，作者們進(jìn)一步驗(yàn)證了高表達(dá)干擾素刺激相關(guān)基因的成熟中性粒細(xì)胞（PMNb）在脾臟中獨(dú)特的空間分布，提示該亞群可能具有不同于其他亞群的宿主防御功能。此外，作者們還將之前文獻(xiàn)中使用單細(xì)胞測(cè)序定義的異質(zhì)性群體映射到本研究建立的中性粒細(xì)胞參考圖譜，統(tǒng)一了領(lǐng)域?qū)π∈蠓€(wěn)態(tài)下中性粒細(xì)胞異質(zhì)性的分類。
最后，為了研究細(xì)菌感染對(duì)中性粒細(xì)胞發(fā)育及亞群的影響，作者們分離了急性腹膜炎小鼠的骨髓、外周血、脾臟及感染部位的中性粒細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞RNA測(cè)序和分析。發(fā)現(xiàn)在炎癥狀態(tài)下的中性粒細(xì)胞的異質(zhì)性群體沒有改變，但各群體的數(shù)目比例、功能特征、轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)和群體轉(zhuǎn)化路徑等發(fā)生了明顯變化。分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果共同表明，急性髓系造血主要通過增強(qiáng)早期中性粒細(xì)胞分裂活動(dòng)和縮短分裂后中性粒細(xì)胞成熟時(shí)間來共同完成，這些發(fā)現(xiàn)為急性細(xì)菌性感染治療提供了潛在分子靶標(biāo)。
圖二 中性粒細(xì)胞分化發(fā)育示意圖，左為穩(wěn)態(tài)，右為急性腹膜炎。
總的來說，該研究首次從單細(xì)胞尺度系統(tǒng)性地描繪了中性粒細(xì)胞在穩(wěn)態(tài)和炎癥狀態(tài)下成熟、分化和命運(yùn)決定過程中的異質(zhì)性群體和轉(zhuǎn)錄組動(dòng)態(tài)變化，整合了領(lǐng)域內(nèi)已有的關(guān)于中性粒細(xì)胞異質(zhì)性分類，為進(jìn)一步研究中性粒細(xì)胞提供了有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)資源。哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院羅鴻博教授、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李程研究員、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院血液學(xué)研究所馬鳳霞副研究員為共同通訊作者，北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院/哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生謝雪梅和北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士研究生石強(qiáng)為并列第一作者。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院本科生蘇嘉昱，北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院博士研究生吳鵬、張瀟予博士參與了研究工作。該研究得到中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、天津市自然科學(xué)基金和美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院的資助，并得到北京大學(xué)“北極星”高性能計(jì)算平臺(tái)的支持。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41590-020-0736-z
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