I型干扰素在重症新冠肺炎中扮演重要角色

滴滴!又是美好的一天呢!我今天给大家介绍的这篇文章于2020年7月10日发表在Science Immunology上,题为Immunophenotyping of COVID-19 and influenza highlights the role of type I interferons in development of severe COVID-19 ,本文通过对健康人、COVID-19不同症状患者及流感重症患者中收集外周血单个核细胞(PBMC) 进行单细胞分析。研究人员发现,与重症流感相比,COVID-19患者在PBMC中的所有类型细胞中均表现出炎症反应增高的特征,尤其是TNF /IL-1β驱动的炎症反应的上调。在来自重症COVID-19患者的经典单核细胞中,I型IFN反应与TNF /IL-1β驱动的炎症共存,而在轻度COVID-19患者中并不存在。基于此作者提出I型IFN反应在重症COVID-19患者炎症效应中起关键作用。

背景介绍

(1)目前, SARS-CoV-2感染通常症状较轻,但是,有些患者特别是老年患者将发展为重症COVID-19感染,需要机械通气进行重症监护;

(2)COVID-19重症患者往往表现为典型的细胞因子风暴,包括过高的免疫应答,促炎因子高表达(TNF,IL-6),同时伴随免疫功能失调,T细胞耗竭及血管渗漏等;

(3) 在重症COVID-19的患者中,T细胞的绝对数量减少,表现出功能性衰竭,并带有抑制性受体的表达;在致死的COVID-19病例中,也报道了CD38,HLA-DR和细胞毒性分子上调所反映的T细胞过度活化。

研究方案

样本:健康人(n=4),重症流感患者(n=5),COVID-19患者包括重症,轻症以及无症状(n=8)

单细胞建库流程10X3‘ genomics

测序数据分析介绍

1.工具:cellranger 10X genomics,v3.0.2

2.比对: GRCh38

3.筛选:去除表达少于200基因的细胞以及并不表达的基因,包括线粒体基因表达量大于15%的细胞

4.降维,聚类:Seurat v3.1.5,PCs=15,resolution=0.5

5.差异基因分析:MAST算法

6.GO分析:DAVID

7.伪时序分析:DDRTree

8.GSEA分析:GSEA4.0.3

结果分析

(1)首先,从健康人、流感重症患者以及COVID-19不同症状患者中收集外周血单个核细胞(PBMC),并利用单细胞RNA测序技术对不同患者细胞进行分析。经过滤后,作者一共捕获59572个细胞,根据标记基因进行标记后,共发现11类主要的免疫细胞类群(图1A-C) ,包括IgG-B细胞、IgG + B细胞、效应记忆(EM)样CD4 + T细胞、非EM样CD4 + T细胞、EM样CD8 + T细胞、非EM样CD8 + T细胞、自然杀伤(NK) 细胞、经典单核细胞、中间单核细胞,非经典单核细胞和树突状细胞(DC)。然后作者调查了疾病组与健康组中免疫细胞的相对比例(图1D和E)。在重症COVID-19中,经典单核细胞的比例显着增加,而DC、非经典单核细胞、中间单核细胞、NK细胞、EM样CD8 + T细胞和EM样CD4 + T细胞的比例显着下降(图1E) 。在严重流感中,经典单核细胞的比例显着增也加,而DC、非EM样CD4 + T细胞、EM样CD4 + T细胞,IgG + B细胞和IgG- B细胞的比例显着下降。

 

‍  图 1 COVID-19患者与流感患者PBMC单细胞分群比例变化

‍‍

(2)然后研究者为了比较不同感染的影响, 对差异基因进行层次聚类时发现PBMC能够按疾病分组聚类 ,而不是按照细胞类型(图2A)。该结果表明,在COVID-19中,不管细胞类型如何,外周血免疫细胞都可能受到共同炎症介质的影响。尽管在COVID-19和流感之间有明显的转录特征差异,但重症COVID-19和流感在所有类型的单核细胞和DC中具有共同的转录特征,这可能反映了在重症流感和重症COVID-19在天然免疫方面具有相同的信号通路 。接着研究人员利用GO分析鉴定疾病特异性上调或下调基因的相关生物学功能。直接比较COVID-19和流感时,发现NFKB1,NFKB2和TNF在COVID-19中上调,而STAT1,TLR4和免疫蛋白酶亚基的基因在流感中上调,这表明炎症反应基因在COVID-19和流感中均具有很高的活性。但是转录因子,包括即NFKB1 / 2和STAT4在COVID-19中被上调。与流感相比,在COVID-19中观察到与IFN-I和-II信号传导途径,T细胞受体途径和适应性免疫应答相关的基因响应有限。进一步根据WGCNA分析,发现CD8+ T细胞、NK细胞中NFKB1/2、JUN、TNF模块化,而在单核、DC细胞中IL1B、NFKBID、OSM模块化(图2D)。

图 2  COVID-19免疫相关基因变化

(3)接着,由于CD8+ T细胞在病毒感染中的重要性, 对EM样和非EM样CD8 + T细胞进行了亚群分析(图3A)。在非EM样CD8 + T细胞的6个亚群中,亚群1和亚群3分别主要由流感和COVID-19组构成(图3B和C)。亚群3特异性上调的基因反映了免疫应答的激活,包括CD27,RGS1,CCL5,SELL和RGS10,通过蛋白质互作发现COVID-19中T细胞亚群3中GZMK, GZMA, CXCR3和CCL5的高表达(图3D)。GO分析发现COVID-19中T细胞亚群3中TNF、IL-1信号通路高度活化(图3E)。

图 3  CD8+T细胞亚群分析

(4)使用相同的方法,作者又对经典单核细胞进行亚分群,图4A为流感和COVID-19之间的差异基因(DEG),TNF、IL-1在COVID-19中特异性上调。通过基因集富集分析(GSEA)发现,COVID-19富集通路为TNF/IL-1β信号通路,而流感中则是I型干扰素通路激活,但在重症COVID-19中I型干扰素通路也起到了重要作用。 

 

图 4  单核细胞亚群分析

(5)紧接着,作者对轻重症COVID-19中经典单核细胞进行比较分析,重症COVID-19中表现为各种ISG(包括ISG15,IFITM1 / 2/3和ISG20)的上调(图5A)。TNF /IL-1β反应性基因和IFN-I反应性基因均在重症COVID-19特异性上调基因中富集(图5B)。然后作者使用monocle 2对轻重症患者进行伪时序分析,发现经典单核细胞沿着病程严重性分布(图5C),在亚群1中主要由重症患者细胞组成,并与IFN-1和TNF /IL-1β相关的炎症反应高度相关(图5D-E)。研究者分析了一个不响应IFN只与TNF有关的基因模块,通过表达模式推测IFN能够通过消除TNF介导的免疫耐受负调节,增强TNF/NFKB通路,促进免疫反应高度活化,并发现该模块在亚群1富集。

 

图 5 经典单核细胞的伪时序分析

(6)最后作者使用致死性COVID-19患者尸检中的肺组织进行bulk RNA-Seq,验证重症COVID-19中的高炎症反应特征。通常在重症单核细胞中观察到IFITM1,ISG15和JAK3的上调以及RPS18的下调(图6A),并发现IFN-1应答和TNF /IL-1β-炎症应答在肺组织中均很显着(图6B)。

图 6  在致死性COVID-19的死后肺组织转录组中验证IFN-I和炎症反应

参考文献

Lee JS, Park S, Jeong HW, et al. Immunophenotyping of COVID-19 and influenza highlights the role of type I interferons in development of severe COVID-19. Sci Immunol. 2020;5(49):eabd1554. doi:10.1126/sciimmunol.abd1554

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2 条回复 A文章作者 M管理员
  1. 免疫是肿瘤治疗的热点,希望以后有所接触

  2. 现在免疫研究 对于疾病起到很大作用 本人研究肿瘤 也希望能多些前沿内容

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