Science:单细胞 RNA-seq 揭示了细胞类型特异性分子和遗传与狼疮的关联

原创 森普 生物医学科研之家 2022-04-27 19:47

原文题目：Single-cell RNA-seq reveals cell type–specific molecular and genetic associations to lupus

通讯作者：CHUN JIMMIE YE

第一单位：加利福尼亚大学旧金山分校

DOI: 10.1126/science.abf1970

系统性红斑狼疮 (SLE) 是一种异质性自身免疫性疾病，在亚洲、非洲和西班牙血统的女性和个体中患病率较高。大量转录组分析表明 1 型干扰素信号传导增加、淋巴细胞活化失调和凋亡清除失败是疾病的标志。参与这些过程的许多基因都接近与 SLE 相关的约 100 个基因座。尽管取得了这些进展，但对 SLE 中循环免疫细胞的全面普查仍然不完整，并且注释介导遗传关联的细胞类型和环境仍然具有挑战性。

流式细胞术和批量转录组分析常用于分析 SLE 中循环免疫细胞的组成和基因表达。然而，流式细胞术因其使用有限的一组已知标记而存在偏差，而批量转录组分析没有足够的能力检测细胞类型特异性表达差异。外周血单个核细胞 (PBMC) 的单细胞 RNA 测序 (scRNA-seq) 具有作为一种全面且公正的方法同时分析循环免疫细胞的组成和转录状态的潜力。然而，scRNA-seq 在人群队列中的应用受到样本通量、成本和对技术可变性的敏感性的限制。

为了克服这些限制，研究人员使用 mux-seq 从 162 个 SLE 病例和 99 个亚洲或欧洲血统的健康对照中分析了超过 120 万个 PBMC。SLE 病例在 PBMC 的组成和状态方面表现出差异。淋巴细胞组成分析显示幼稚 CD4+T 细胞减少，而限制性GZMH+CD8+T 细胞增加。对八种细胞类型的转录组谱的分析表明，经典单核细胞表达最高水平的泛细胞类型和骨髓特异性 1 型干扰素刺激基因 (ISG)。单核细胞中 ISG 的表达与初始 CD4+呈负相关T细胞丰度。细胞类型特异性表达特征准确预测病例对照状态并将患者分层为分子亚型。通过整合基因分型数据并使用一种新的矩阵分解方法，研究人员在八种细胞类型中绘制了共享的和细胞类型特异性的顺式表达数量性状基因座 (cis-eQTL)。细胞类型特异性 cis - eQTL 富集了对相同或相关细胞类型特异的开放染色质区域。独联体分析-eQTL 和全基因组关联研究结果能够识别与免疫介导的疾病相关的细胞类型、疾病相关位点的精细定位以及新的 SLE 关联的发现。相互作用分析确定了对基因表达的影响通过患者间的干扰素激活进一步改变的变体。

从研究人员的数据中一个惊人的观察结果是GZMH +而不是GZMK +细胞毒性 CD8 + T 细胞在 SLE 中的扩增，在某些情况下由约 50% 的所有淋巴细胞组成。在儿童 SLE 中也观察到了两个细胞毒性 CD8 + T 细胞群 ，但没有报道GZMH + CD8 + T 细胞的频率显着增加，尽管 GZMB 和 PRF1 的表达升高，这可能源自GZMH + CD8 + T 和 NK暗细胞。虽然GZMB和PRF1已被描述为富含 SLE的 CD8 + T 细胞亚群的标志物，GZMH在病例和对照之间表达更高、更普遍且表达差异更大。颗粒酶-H 的功能尚未得到很好的表征，但之前的工作证明了它在启动 T 细胞中半胱天冬酶依赖性细胞凋亡和启动 NK 细胞中半胱天冬酶非依赖性细胞凋亡中的不同作用。GZMH + CD8 + T 细胞的显着克隆扩增，特别是在细胞毒性亚群中，表明这些细胞在 SLE 中具有致病作用，并且与独立工作一致。这些结果提出的 SLE 引发和恶化的一个模型是由外来和自身抗原引发的适应性免疫反应，然后长期暴露于受损组织中的抗原，导致“表位扩散”，其中新的自身抗原被引入免疫系统和成为自身免疫反应的未来目标。对 B 细胞和 T 细胞的免疫组库进行分析，并对 SLE 患者的抗原特异性进行纵向匹配分析，对于破译细胞介导免疫在发病机制中的作用具有指导意义。

将细胞组成和细胞类型特异性表达的测量与基因分型相结合，提供了评估细胞类型和细胞环境特异性基因表达的遗传决定因素并将功能归因于 SLE 相关变体的机会。在存在多效性效应的情况下，mux-seq 能够将基因表达分解为共享的和细胞类型特异性的成分，并绘制与这些成分相关的 cis-eQTLs。正交功能基因组数据集的富集分析支持细胞类型特异性 cis-eQTL 的注释。GWAS 数据和细胞类型特异性 cis-eQTL 的综合分析提供了对介导疾病关联的免疫细胞类型的洞察；对于单个基因座，它能够对疾病相关变异进行精细映射和注释。与使用 PBMC 或单个细胞类型的假体表达谱相比，使用分解的表达成分还显着提高了使用 TWAS 识别新疾病相关基因的能力。最后，使用来自 mux-seq 的干扰素激活的定量测量，研究人员确定了 cis- eQTLs 对基因表达的影响可以通过干扰素水平升高而改变，干扰素水平是 SLE 的关键疾病环境。这些结果强调了细胞背景对于解释与疾病风险和疾病异质性相关的遗传变异的重要性。

Mux-seq 是一种经济高效且系统的方法，可用于对大量人群进行细胞表型分析。跨人群队列的遗传分析对于了解祖先之间 SLE 风险的差异和环境诱因的参与非常重要。SLE 病例的纵向分析，特别是缓解或活动性发作的患者，可以揭示疾病的开始、疾病活动的变化、患者的新稳态以及对治疗的反应的新见解。尽管检查并控制了 SLE 和健康对照之间细胞组成和细胞类型特异性表达的治疗相关差异，但确实观察到治疗的显着效果，包括在接受硫唑嘌呤治疗的患者中消耗 NK 细胞。由于 mux-seq 利用自然遗传变异作为样本条形码，因此它与染色质状态和细胞表面蛋白丰度的多模式单细胞分析兼容。更丰富的表观遗传和细胞表型的整合以及对当前转录组工作流程的改进无疑将改善 SLE 的分子亚表型、检测细胞类型特异性和细胞环境特异性分子 QTL 的能力以及注释 SLE 关联的分辨率。

SLE 的诊断和治疗仍然具有挑战性。疾病表现和治疗反应的异质性突出了改进分子特征的必要性。在一个大型多种族队列中，研究人员证明 mux-seq 作为一种系统方法来表征细胞组成，识别细胞类型特异性转录组特征，并注释与 SLE 相关的遗传变异。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf1970

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