Cell|單細胞測序揭示組織環境對中性粒細胞命運共同決定作用

撰文 | 唐小糖

責編 | 兮

髓系白細胞接受不同的環境信號會表現出轉錄和功能上的可塑性【1】。這種可塑性已在病理或穩態條件下得到證明，重要的表現是具有組織特異性的表型和轉錄譜【2】。髓系白細胞中，大部分對組織相關特徵的研究都聚焦在巨噬細胞上，對中性粒細胞的研究則相對較少，很大程度上是由於中性粒細胞在循環中的生命周期較短、組織環境遺傳適應的轉錄活性較低。然而，越來越多的證據表明，在不同的疾病中中性粒細胞的轉錄譜表現出強烈的異質性【3-4】。因此，健康組織中也可能存在不同的中性粒細胞亞群，以適應這些組織的特定環境，完成這些組織所需的機體生理任務。

2020年10月23日，西班牙馬德裡卡洛斯三世國家心血管研究中心Andres Hidalgo團隊在Cell上發表了題為「Co-option of Neutrophil Fates by Tissue Environments」的論文，研究了組織中中性粒細胞的多樣化特性。發現中性粒細胞在多種組織中的生命周期較長，有助於適應組織環境。蛋白組、轉錄組和表觀遺傳學分析確定了中性粒細胞的表型和功能。特別發現在肺部，組織特異性編程使得趨化因子能夠指導至定位區域，以維持器官穩態和生理需求。

研究人員首先利用特異性的iLy6GtdTom小鼠模型對中性粒細胞的壽命進行研究，發現當中性粒細胞進入組織時，能夠停留長達1天（平均為28到61小時）。隨後單細胞轉錄組分析描繪了骨髓、血液、脾臟、肺、小腸和皮膚中共36個白細胞亞群。其中，巨噬細胞展現出了最大的可變性和異質性，中性粒細胞的組織異質性程度高於單核細胞、B細胞和NK細胞。在不同組織中大致分為5個亞群，具有不同的轉錄譜特徵。各個組織的批量轉錄組數據也進一步發現了組織特異性表達基因（如骨髓中的顆粒蛋白基因、血液中的Ifitm基因、和肺中的Il1b基因），結合ATAC-seq結果，綜合在染色質、RNA和蛋白質水平的穩態條件下描繪了中性粒細胞的異質性和多樣性。

圖1. 中性粒細胞在組織中壽命短且各不相同

中性粒細胞壽命不長，其形成組織特異性的機制是什麼呢？作者將每個組織的特徵投射到血液中性粒細胞的單細胞轉錄組上，發現血液組織的特徵是最強的，批量轉錄組數據顯示肺、小腸和皮膚的轉錄組更加多樣化，可能是屏障組織受到自然暴露的共生微生物群的影響，無菌小鼠的腸道和皮膚幾乎沒有中性粒細胞證明了這一猜想。但肺和脾臟的中性粒細胞又是如何形成組織特徵的？利用異種共生模型和轉移實驗在RNA、蛋白質和表觀修飾方面進行闡述，同時結合肺在病理狀態下的特徵對中性粒細胞進行檢測，最終得出結論：中性粒細胞在進入組織後發生重編程。

圖2. 中性粒細胞在組織中獲得相關組織特異性

接下來，作者利用中性粒細胞的損耗模型證明了中性粒細胞支持基因毒性損傷後的造血修復和維持造血穩態。此外，肺部的所有白細胞中，只有中性粒細胞展現出了肺部特異性的特徵，基因表達譜和動物實驗顯示具有促進血管生成的特性和功能，該功能在小腸中也有所體現。最後，作者利用中性粒細胞特異性缺失CXCR4的小鼠模型證明了CXCR4不影響肺部中性粒細胞的轉錄譜特徵，而是引導中性粒細胞定位到獲得其表型和行使功能的特定區域。

圖3. 肺和腸道中性粒細胞的血管生成特性

總的來說，本研究利用新的模型來追蹤中性粒細胞的命運，發現其在不同組織的壽命較短且各不相同。通過對蛋白質、轉錄組和染色質可及性圖譜分析，識別了不同的中性粒細胞的表型和功能。中性粒細胞的損耗對血管生成過程造成損傷，進一步支持中性粒細胞有助於基因毒性損傷、病毒感染以及輻照後造血系統的損傷修復。此外，對於肺部和小腸，中性粒細胞在組織中才獲得了組織特異性，且肺部的的中性粒細胞定位於富含CXCL12的區域，依賴於CXCR4。該研究證明了組織中存在不同的中性粒細胞亞群，其命運決定於組織環境，具有適應和完成這些組織所需的機體生理任務。

原文連結

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.10.003

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參考文獻

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3. Cuartero, M.I., Ballesteros, I., Moraga, A., Nombela,F., Vivancos, J., Hamilton, J.A., Corbı´, A.L., Lizasoain, I., and Moro, M.A.(2013). N2 neutrophils, novel players in brain inflammation after stroke:modulation by the PPARg agonist rosiglitazone. Stroke 44, 3498–3508.

4. Gupta, S., and Kaplan, M.J. (2016). The role ofneutrophils and NETosis in autoimmune and renal diseases. Nat Rev Nephrol 12,402–413.