单细胞测序研究新冠恢复期病人的免疫细胞图谱

Immune cell profiling of COVID-19 patients in the recovery stage by single-cell sequencing6.255Cell Discov . 2020 May 4;6:31. doi: 10.1038/s41421-020-0168-9. eCollection 2020.

Abstract

COVID-19, caused by SARS-CoV-2, has recently affected over 1,200,000 people and killed more than 60,000. The key immune cell subsets change and their states during the course of COVID-19 remain unclear. We sought to comprehensively characterize the transcriptional changes in peripheral blood mononuclear cells during the recovery stage of COVID-19 by single-cell RNA sequencing technique. It was found that T cells decreased remarkably, whereas monocytes increased in patients in the early recovery stage (ERS) of COVID-19. There was an increased ratio of classical CD14++ monocytes with high inflammatory gene expression as well as a greater abundance of CD14++IL1β+ monocytes in the ERS. CD4+ T cells and CD8+ T cells decreased significantly and expressed high levels of inflammatory genes in the ERS. Among the B cells, the plasma cells increased remarkably, whereas the naïve B cells decreased. Several novel B cell-receptor (BCR) changes were identified, such as IGHV3-23 and IGHV3-7, and isotypes (IGHV3-15, IGHV3-30, and IGKV3-11) previously used for virus vaccine development were confirmed. The strongest pairing frequencies, IGHV3-23-IGHJ4, indicated a monoclonal state associated with SARS-CoV-2 specificity, which had not been reported yet. Furthermore, integrated analysis predicted that IL-1β and M-CSF may be novel candidate target genes for inflammatory storm and that TNFSF13, IL-18, IL-2, and IL-4 may be beneficial for the recovery of COVID-19 patients. Our study provides the first evidence of an inflammatory immune signature in the ERS, suggesting COVID-19 patients are still vulnerable after hospital discharge. Identification of novel BCR signaling may lead to the development of vaccines and antibodies for the treatment of COVID-19.   

Keywords: Immunology; Mechanisms of disease.

　　这篇文章用单细胞测序的方法，研究了新冠恢复期病人的免疫细胞图谱。通过对数据的逐步抽丝剥茧的解读，对恢复期病人外周血中髓系细胞、NK细胞和淋巴细胞等免疫细胞的变化进行了阐述。


这篇文章中用到的样本数为15例，其中，健康对照供体5例，病人10例。病人中，依据抽样时间和核酸检测呈阴性之间的时间间隔，将病人分成两类。核酸检测呈阴性后7天之内就抽样的，为恢复早期样本（ERS），而距离核酸检测呈阴性后14天以上再抽样的，为恢复晚期样本（LRS）。所有样本抽取外周血后分离单细胞，并进行10X Genomics转录组和免疫组测序，简要的流程图如下：

拿到数据结果之后的第一件事，通常来说就是细胞的分群与分群注释。这里面，分群方法的呈现方式，可以选择以下几种：1. 每群特异基因表达丰度展示。2. 特异基因表达热图展示


这篇文章，当然一方面受到新冠研究时间紧迫的影响，另一方面也是想把自己想表达的东西简单化，集中化，因此在细胞分群中，只展示了自己想主要研究的三大类主群：髓系细胞群、NK和T细胞群以及B细胞群。

在整体分群注释完成后，作者接下来分不同类别（健康，ERS和LRS）对每种细胞类型所占比例进行的大致研究。呈现方式有tSNE图、百分比堆积柱形图和环形图等。

从图中可以看出，和正常人相比，病人中的髓系细胞数增多，而NK和T细胞数量则明显减少，这种趋势在ERS中尤其明显。

整体研究的最后一步，作者分细胞类型看了一下不同类别样本中的差异表达基因（DEG），并且发现在ERS中，一些炎症细胞因子和趋化因子都相对于正常人有较高表达。


整体研究过后，作者开始分细胞类型进行更细致的研究。因为三种大的细胞类型中的研究思路和方法比较相似，所以我就只挑其中一类给大家叙述。

作者把全部的髓系细胞抽取出来，进行单独研究。首先依旧是细胞的分群注释，依照每群代表性基因的表达，将全部髓系细胞分成不同的六个亚群。

接下来，作者对正常人和病人中，不同髓系细胞亚群的比例变化进行了呈现。结果显示，在ERS患者中，经典CD14+单核细胞的比例明显增多

之后，作者研究了这一类细胞中正常人和ERS患者之间的差异表达基因，通过热图和火山图进行展示。

从差异基因中可以看出，在ERS患者中，炎性基因高表达，而抗炎基因低表达。作者还可视化了其中一个比较重要的炎性基因IL1β的表达情况。

最后一步，作者对找到的差异基因进行GO注释分析，来更好的阐明疾病或临床症状的发生机制。

GO注释到的条目显示，与细胞因子信号转导和炎症激活相关的途径，由

IFITM3、IFI6、IL1β、JUN、FOS、JUNB和KLF6等基因的上调所驱动。


这篇文章的后半部分，作者用差不多一样的方式和结构，研究了NK和T细胞群，以及B细胞群在不同类型样本中的特征。
文章主要的结论是，在恢复早期的病人中，虽然核酸检测呈阴性，但是病人体内的炎症反应依然比较剧烈，自然平和的稳态免疫系统并没有完全重建，以致于即使病毒被清除，这部分患者依旧非常脆弱，需要重新评估病人的康复标准和出院标准。

这篇文章从结论和方法上，能看出来时间比较紧张，研究方式也比较简单，甚至略微有些粗糙。用到的软件也是单细胞分析比较常用的软件。但这并不影响它成为一篇有用的参考。

转自生信人

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