珍藏版綜述 | 以HIV分析，將為病毒研究與治療開創新的道路

2020-11-06 生命科學前沿

雖然細胞群分析提供了關於病毒感染的平均信息，但單細胞分析從個體出發，揭示了更為廣泛的多樣性，並確定了可用於進一步理解複雜病毒-宿主相互作用的極端表型。單細胞技術在HIV感染的背景下的應用被證明是有價值的工具，有助於發現特定的生物標誌物以及病毒-宿主相互作用中的新候選分子。

2020年10月，瑞士科學家Ludivine Brandt等人在Annual Reviews發表了名為Single-Cell Analysis Reveals Heterogeneity of Virus Infection , Pathogenicity , and Host Responses : HIV as a Pioneering Example的綜述，旨在提供愛滋病毒領域單細胞分析的最新概況以及獲得的關於愛滋病毒感染、潛伏期和宿主反應的知識。

單細胞技術

單個小鼠卵裂球轉錄組分析的獲得，標誌著單細胞技術（單細胞RNA測序（scRNA-Seq））的開啟。對單個細胞的研究主要分為兩步，一方面需要單細胞分離，另一方面需要在分子水平上對細胞進行分析。

單細胞分離

單細胞分離可以通過多種方法實現。流式細胞螢光分選技術（FACS）利用流式細胞術使用螢光報告或基於抗體的特定蛋白質識別進行單細胞分選，但此種方法可能會導致細胞損傷。最近已開發出新的設備，可最大程度地減少對細胞的幹擾。納米和微流體技術的進一步發展，結合細胞標引和條形碼技術，進一步推動了可以分離和分析的單個細胞的數量。單細胞分離技術在過去的十年中得到了改進，從2009年手動分離的一個單細胞到如今的機械分離的100000個細胞。

單細胞分析

分子生物學的最新進展(如測序技術),使得支持研究和表徵單個細胞的各種組學方法（圖1）得以發展。目前最常用的單細胞分析技術是全轉錄組分析。為了執行scRNA-Seq,首先要獲得足夠的RNA。利用反轉錄將RNA轉化為cDNA並且在cDNA文庫構建之前進行富集。反轉錄和cDNA文庫製備有多種方法，其中研究證明全長方法可能更適用於小樣本的同種型分析、選擇性剪接和單核苷酸多態性鑑定，而基於標籤的方法可能更適用於複雜細胞樣本中的基因表達定量。

圖1單細胞技術

單細胞限制

單細胞分析提供了探索細胞異質性本身的方法，以及應對病毒感染的細胞異質性，為識別病毒-宿主相互作用中的新參與者提供了前所未有的機會。然而，單細胞技術仍受到多種技術的限制，如技術限制，表型關聯，以及單細胞分析和表型之間可能的時間間隔。

異質細胞對HIV的異質反應

迄今為止，在愛滋病病毒領域，單細胞技術主要用於識別以下特定基因特徵:對HIV感染的細胞容許性、潛在的HIV感染細胞及其再激活以及免疫細胞對HIV感染的控制（圖2）。

圖2 HIV單細胞研究時間表

HIV的容許性

最近兩項使用不同方法的研究表徵了HIV容許性（圖3）。第一項研究指出原始CD4+T細胞由於CCR5的表達較低，因此大部分不具有HIV容許性。第二項研究證明了記憶CD4+T細胞更容易感染HIV。同時研究指出表達某些激活標記（CD69，CD38），CD57和低水平的CD127（白介素7受體）的Th17（CCR6+CCR4+）和Tfh（PD1+CXCR5+）的細胞被證明是最具容許性的。表達高水平CD25，CD298，CD63和CD317細胞表面分子的CD4+T細胞與I型幹擾素（IFN）反應受損和某些HIV限制因子表達降低的細胞相對應，這與HIV感染的容許表型一致。這兩項研究是互補的，指出活躍的細胞狀態和受損的免疫反應因子是HIV容許性的決定因素。

圖3 HIV容許性的決定因素

HIV致病性:潛伏期與重新激活

聯合抗逆轉錄病毒療法(ART)可以有效阻止愛滋病毒疾病的進展，但它不能完全消除病毒，患者體內會存在持續的病毒庫，所以需要對HIV+個體進行終生治療。因此，了解這一潛伏特徵是治癒HIV的關鍵。

單細胞研究有助於探索HIV潛伏期建立和再激活的異質性。利用單細胞技術可以研究病毒-宿主相互作用的三個方面:(a)宿主細胞環境和遺傳組成，(b)整合位點位置和核位置，以及(c)病毒基因表達(圖4)。研究表明，潛伏細胞群以及HIV再激活具有異質性。無論T細胞亞群或細胞環境如何，只有一小部分細胞被有效地重新激活。因此，科學家們又進行了一系列實驗探究影響潛伏期建立的其他因素。一系列的研究證明早期病毒蛋白Tat的表達水平、宿主細胞環境和整合位點的位置都可以不同程度地影響病毒基因的表達。另外，研究還指出潛伏給慢病毒帶來了進化優勢。

圖4潛伏感染CD4+T細胞的相關特徵

宿主對愛滋病毒的反應:免疫細胞的免疫控制

個體對HIV感染的反應不同，少數HIV+能夠控制HIV感染並保持其免疫功能，他們被稱為精英控制者(ECs)。然而，在大多數HIV+(正常/快速進展者)中，免疫反應無法控制HIV，導致免疫系統衰竭(圖6)。那麼是什麼原因導致了這種差異呢？

一系列研究探究了ECs對HIV的免疫反應。研究發現，ECs的免疫細胞CD8+Tcm中效應功能基因(GZMB，GZK，CCL3，CCL3L1，XCL1)、存活基因(CD69，KLRD1)、誘導凋亡基因(FASLG，TNF，TRAIL)以及IFNB均過度表達。另外，這些細胞能夠使用脂肪酸為能源。還有研究指出，ECs與表達高水平CD1c+、CD32b和HLA-DR的特定經典樹突狀細胞(cDC)簇相關。通過細胞因子分析進行的研究指出，ECs中抑制性受體表達下調、細胞溶解分子表達下調和細胞因子表達上調，這使得CD8+T細胞的功能得以保留。另外，研究還指出恢復B細胞功能可以部分有助於抗體介導的愛滋病毒感染控制。

圖5HIV的宿主免疫控制

單細胞分析為HIV複製提供了進一步的線索，並為新的有針對性的治療幹預鋪平了道路。此外，這些HIV研究為其他病毒的研究提供了有用和有價值的模型。最後，作者指出開發和有效整合廣泛多樣的單細胞研究可以有效提高病毒控制。

全文連結

https://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev-virology-021820-102458

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