研究人員發表中性粒細胞穩態和炎症狀態下的單細胞發育和異質性圖譜

 

 

2020年7月27日，北京大學生命科學學院李程研究組與哈佛大學醫學院羅鴻博研究組、中國醫學科學院血液學研究所馬鳳霞課題組合作在Nature Immunology雜誌發表了題為「Single-cell transcriptome profiling reveals neutrophil heterogeneity in homeostasis and infection」的研究論文。

中性粒細胞是天然免疫系統的主要組成部分，作為循環白細胞中數量最多的細胞類型，是宿主抵禦入侵細菌等病原體的第一道防線。然而，目前對中性粒細胞的分群主要是依靠經典的形態學，中性粒細胞的異質性一直存在爭議，沒有統一的認知，這種分歧阻礙了中性粒細胞研究的發展。與其他血液和免疫細胞類型相比，中性粒細胞中基因表達的數量和水平較低，從技術層面上對RNA的捕獲更加困難。另外，由於中性粒細胞的半衰期只有15-20小時，對實驗操作細節也提出了更高的要求。

作者們通過優化實驗條件，分別對小鼠穩態下的骨髓、外周血和脾臟進行中性粒細胞分離和單細胞RNA測序，並結合生物信息學方法建立了穩態條件下的中性粒單細胞圖譜。按照發育成熟的順序，骨髓中的中性粒細胞可以分為5群，包括3個處於分裂階段的亞群(G0、G1、G2)和2個分裂後的較成熟亞群(G3、G4)。作者們針對顆粒蛋白、細胞周期、殺菌功能等方面，詳細解析了每個群體的特徵，並結合流式細胞標記等方法驗證了這些群體的存在。研究發現，雖然單細胞RNA測序定義的異質性細胞群體與經典形態學分群整體具有較高相關性，但是單細胞測序技術能辨別出形態學相同、而轉錄組有差異的G3和G4粒細胞群體，增加了對骨髓成熟粒細胞異質性的認識。根據顆粒蛋白基因在亞群之間表達的異質性，作者們提出了顆粒蛋白產生的「分選假說」（sorting mechanism），並通過轉錄調控網絡分析鑑定出了中性粒細胞發育過程中特異上調的新轉錄因子。

作者們接下來分析了外周血及脾臟中的中性粒細胞，發現外周器官中主要存在3群具有不同轉錄組特徵的成熟中性粒細胞PMNa、PMNb和PMNc。RNA速度（RNA velocity）分析揭示了這些成熟群體有不同的骨髓來源和複雜的群體間相互轉化關係：1）PMNa和PMNb主要分別由骨髓的G3和G4發育而來；2）PMNa和PMNb均可發育成PMNc，但是PMNa和PMNb之間很少有轉化發生。利用免疫螢光成像技術，作者們進一步驗證了高表達幹擾素刺激相關基因的成熟中性粒細胞（PMNb）在脾臟中獨特的空間分布，提示該亞群可能具有不同於其他亞群的宿主防禦功能。此外，作者們還將之前文獻中使用單細胞測序定義的異質性群體映射到本研究建立的中性粒細胞參考圖譜，統一了領域對小鼠穩態下中性粒細胞異質性的分類。

最後，為了研究細菌感染對中性粒細胞發育及亞群的影響，作者們分離了急性腹膜炎小鼠的骨髓、外周血、脾臟及感染部位的中性粒細胞進行單細胞RNA測序和分析。發現在炎症狀態下的中性粒細胞的異質性群體沒有改變，但各群體的數目比例、功能特徵、轉錄因子表達和群體轉化路徑等發生了明顯變化。分析和實驗結果共同表明，急性髓系造血主要通過增強早期中性粒細胞分裂活動和縮短分裂後中性粒細胞成熟時間來共同完成，這些發現為急性細菌性感染治療提供了潛在分子靶標。

總的來說，該研究首次從單細胞尺度系統性地描繪了中性粒細胞在穩態和炎症狀態下成熟、分化和命運決定過程中的異質性群體和轉錄組動態變化，整合了領域內已有的關於中性粒細胞異質性分類，為進一步研究中性粒細胞提供了有價值的參考數據資源(生物谷Bioon.com）