前言

Single-cell RNA sequencing to explore immune cell heterogeneity

為了適應環境和抵禦外界的威脅，從原核生物到人類都有其強大的免疫系統，且這些免疫系統都分化出了高度特異性（即疾病特異性）的免疫細胞型別，這些細胞一起預防和消除疾病。目前最熱門的單細胞技術，對於理解免疫系統如何產生針對許多不同病原體的潛在反應是至關重要的。

本篇綜述概述了現有的單細胞技術，並討論了它們的優點和侷限性。我們還探索這些方法如何加深我們對免疫應答和疾病的理解，並且我們調查了該領域的前沿趨勢和潛在創新點。

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單細胞技術簡介

目前有許多單細胞測序技術，但他們對於細胞分析的廣度（即每個實驗回收的細胞數）和深度（即每個細胞的基因表達）有顯著差異。可以將單細胞技術分為兩大類：“targeted”技術（FACS，CyTOF，qPCR）和unbiased技術（plate-based protocol，Fludigm C1，pooled approaches，massively parallel approaches）。

Table 1。 Summary of current single-cell profiling technologies

FACS：熒光啟用的細胞分選技術

Droplet microfluidics一次可以捕獲上萬個細胞，適用於發現稀有細胞類群或研究整個組織/器官的高度異質性群體。但該技術對於單個細胞的敏感度較低，不適用於鑑定細胞之間微小的轉錄表達差異。plate-based protocols和Fluidigm C1適用於對單個細胞進行隨機變異或細胞間微小的轉錄差異等進行深度研究。實際應用中可以將幾種方法相互結合利用。

Figure 1 | Overview of scRNA-seq technologies。 BCR： B cell receptor， TCR： T cell receptor

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單細胞測序技術的應用

（1）表徵不同的細胞亞群

Jaitin et al。利用MARS-seq技術鑑定了正常小鼠脾臟細胞的多樣性，將其分為不同的細胞類群：B細胞、巨噬細胞、單核細胞、自然殺傷細胞（NK cell）和漿細胞樣樹突細胞。此外，用脂多糖（LPS）刺激模擬病毒性感染，結果發現，誘導了所有型別細胞的I型干擾素（type I IFN）響應基因表達，表明脾臟細胞群體透過上調I型干擾素應答的抗病毒基因對病毒感染做出反應。（Fig。2a）

Figure 2 | scRNA-seq uncovers distinct cell subsets in the

healthy

immune system。 NK： natural killer cell， pDC： plasmacytoid dendritic cell

Bjorklund et al。 對已知具有異質性的人扁桃體和小腸的CD127+先天性淋巴細胞（ILCs）進行單細胞測序，發現了4個明顯不同的亞群：ILC1， ILC2， ILC3和NK細胞，與之前的研究結果一致（based on surface marker expression）。此外，還發現了兩個新的小腸ILCs亞群（Fig。2b）

Figure 3 | Single-cell profiling uncovers distinct cell subsets in

disease

Gaublomme et al。 構建體外和體內EAE模型，用單細胞測序鑑定T helper 17 （TH17）的細胞狀態，發現TH17細胞有高度異質性。對體內和體外分離的致病性TH17細胞進行比較分析，揭示了其相似但不完全一致的寬泛的致病能力的圖譜，發現了可能導致TH17細胞致病性的基因：Gpr65， Plzp， Toso和Cd5l，這些marker gene可以用於預防和治療多發性硬化。

（2）表徵同一個群體的異質性

Figure 4 | Characterizing heterogeneity within one immune cell population using scRNA-seq

Shalek et al研究了LPS刺激的骨髓衍生的樹突狀細胞（BMDCs），發現LPS響應通路基因的mRNA丰度在不同細胞間有顯著差異，表明所觀察到的異質性對每個細胞都有功能性的結果。這種轉錄異質性可能使BMDC具有廣度或靈活性來適當地響應多種型別和水平的感染。這也是首次報道單細胞之間mRNA剪下模式的異質性。此外，BMDC具有抗病毒主調控基因Irf7和Stat2的雙峰表達，這反過來又促進許多其他抗病毒基因的雙峰表達。

（3）決定細胞命運的分支點

Figure 5 | scRNA-seq helps identify cell fate branch points during HSC differentiation。HSC：造血幹細胞

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單細胞技術應用的新方向

（1）綜合分析免疫普和分子狀態

可以加深對淋巴等免疫細胞行為的理解，特別是當這些方法可以縮放到更大的資料集時。

（2）開發可以代替細胞培養或小鼠模型的工具

這樣不僅可以分析正常的人體免疫系統，還可以分析目前很少研究的自身免疫和炎症性疾病的免疫應答，如類風溼性關節炎、克羅恩氏病和牛皮癬。

（3）將細胞的不同表型引數與其轉錄組整合在一起。

如，骨髓的細胞定位對於其下游的命運有重要影響，但在單細胞測序分析的過程中其細胞定位和微環境均丟失了，希望透過研究新的試驗和分析方法以重構細胞的空間結構。

（4）除單細胞轉錄組外，希望在基因組、染色質、甲基化和蛋白質組學分析上有新進展

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