Cell:首次使用单细胞测序全方位解析新冠病毒(SARS-CoV-2)的发病机制

【字体: 时间:2020年06月09日 来源:吉凯基因

编辑推荐:

  今年4月20日麻省理工学院(MIT)的科学家们发表在《Cell》上的一篇文章通过分析人类、其他灵长类动物及小鼠的单细胞测序数据,鉴定出了新冠病毒(SARS-CoV-2)的靶向细胞集,并详细解析了其发病机制,为防治这一流行病及解决药物的耐药性问题提供理论基础。

  

人类冠状病毒(CoV)是一类单正链RNA病毒,可引起轻度至重度呼吸系统疾病。在过去的二十年里出现了两类高致病性的CoVs: 严重急性呼吸系统综合症(SARS)-CoV和中东呼吸综合征(MERS)-CoV。导致COVID-19疾病的新冠病毒SARSCoV-2于2019年底被首次报道,并迅速在全球扩散。截至2020年4月19日,SARS-CoV-2继续在全球蔓延,185个国家和地区的确诊病例总数超过2401379例,死亡165044例,康复者623903人。COVID-19的特点是肺炎、发烧、咳嗽和偶尔腹泻,并且SARSCoV-2 RNA在鼻咽拭子、痰和粪便样本中被检测到。因此,了解导致COVID-19疾病的严重急性呼吸道综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)的发病机制迫在眉睫,这对于COVID-19疾病的预防、治疗,及相关药物的开发至关重要。

新冠病毒S蛋白在宿主细胞上结合ACE2,并与宿主蛋白酶(主要是TMPRSS2)协同作用,促进其进入宿主细胞中。然而,SARS-CoV-2在宿主组织中靶向的细胞子集,以及调节ACE2表达的因素,仍然是个未知数。且人类与SARS-CoV-2之间宿主-病原体相互作用的复杂性至今也是个谜。今年4月20日麻省理工学院(MIT)的科学家们发表在《Cell》上的一篇文章通过分析人类、其他灵长类动物及小鼠的单细胞测序数据,鉴定出了新冠病毒(SARS-CoV-2)的靶向细胞集,并详细解析了其发病机制,为防治这一流行病及解决药物的耐药性问题提供理论基础。

鉴定灵长类动物SARS-CoV-2宿主细胞类型

为了探究人类和其他灵长类动物SARS-CoV-2的宿主细胞类型,研究人员首先分析了灵长类动物猕猴肺组织的scRNA-seq数据集,以评估哪些细胞类型标记为ACE2或TMPRSS2阳性细胞。最终鉴定出了17种不同的主要细胞类型,包括各种淋巴细胞、髓细胞和基质细胞(图1A-C)。同时发现ACE2和TMPRSS2主要在上皮细胞中表达,6.7%的II型肺泡细胞表达ACE2,3.8%的细胞共同表达ACE2和TMPRSS2(图1B-C),且在ACE2阳性II型肺泡细胞中观察到II型IFN的受体IFNGR2表达量显著上升(图1D)。


图1.猕猴肺组织单细胞转录组图谱

鉴定人类SARS-CoV-2宿主细胞类型

为了探究人肺组织中是否具有类似的细胞图谱,我们通过scRNA-seq方法分析了外科手术切除的纤维化肺组织的细胞类型,鉴定出了多种细胞类型及免疫细胞亚型(图2A-C)。ACE2和TMPRSS2主要在II型肺泡细胞和纤毛细胞中表达,这与猕猴中的单细胞测序结果一致(图2B)。对ACE2+/TMPRSS2+II型肺泡细胞和其他类型II型肺泡细胞的基因表达模式进行分析,发现ACE2+/TMPRSS2+细胞中BATF基因显著富集(图2C-D),此基因以前被报道受I型和II型IFNs的调控,且ACE2与HIV有关(图2E)。这些结果表明,在人和其他灵长类动物呼吸道中发现了一些共有的ACE2+/TMPRSS2+细胞群,且不少证据显示IFN相关炎性信号促进这些受体的表达。


图2.人肺组织单细胞转录组图谱

胃肠道ACE2+细胞分布情况

SARS-CoV-2不仅在呼吸道中被检测到,在粪便中也发现这种病毒的存在。接下来作者分析其他组织,主要是胃肠道ACE2+细胞的分布情况。通过猕猴的单细胞测序数据发现,ACE2+细胞主要分布于小肠中,在肝脏和结肠中也能检测到少量的ACE2+细胞(图3A),并鉴定出ACE2+细胞为吸收性肠细胞(图3B-C)。13个儿童的内窥镜回肠末端活检样本单细胞测序数据也证实ACE2+细胞集中于吸收性肠细胞(29.7%)(图3D-E)。


图3.猕猴和人胃肠道单细胞转录组图谱

上呼吸道中ACE2+细胞富集情况

鼻腔和鼻窦组织是冠状病毒的主要暴露部位,是潜在的病毒靶细胞,接下来作者分析了上呼吸道中SARS-CoV-2宿主细胞基因表达情况。健康人上呼吸道(下鼻甲和筛窦粘膜)及慢性鼻窦炎致过敏性炎症的患者的单细胞测序数据显示,ACE2基因主要在尖端上皮细胞中富集(图4A-B)。为了更精确地描绘SARS-CoV-2的靶上皮细胞亚群,作者采用精细的聚类分析方法,鉴定出13种上皮细胞亚群,并对他们的基因表达模式进行分析(图4C-F)。ACE2+/TMPRSS2+细胞亚群中与IFN信号相关的ADAR、GBP2、OAS1、JAK1 和 DUOX2基因表达显著上升(图4G),且在ACE2_/TMPRS2+细胞亚群7(图4I)中发现了IFNa刺激基因集。


图4.人上呼吸道单细胞转录组图谱

ACE2与IFN相关性分析

小鼠气管上皮细胞、人支气管细胞系BEAS-2B,两例捐献者的上呼吸道基底细胞的平行实验显示,经IFN刺激后,对应的细胞中ACE2基因表达升高(图5A-D),且成剂量依赖性(图5I-L)。另外,干扰素刺激基因(ISG)STAT1/stat1与ACE2的基因表达密切相关,且在人上呼吸道基底细胞中这两者具有更高的相关系数(图5E-H)。这些结果暗示着ACE2很可能是屏障组织内上皮细胞中以前未被重视的ISG。


图5.基因相关性分析

机制探究

鉴于在体外的小鼠细胞实验中Ace2的轻微上升,我们好奇的是Ace2在体内是否代表一种鼠源ISG。将IFNa腹腔注射于小鼠体内,12小时后分离出鼻粘膜,包括呼吸上皮和嗅觉上皮,收集样本进行单细胞测序。共收集了11358个细胞,鉴定出迄今为止最大的小鼠呼吸和嗅觉粘液单细胞图集,包括上皮细胞、基质细胞、神经元和免疫细胞等(图6A-B)。在Ace2+细胞的丰度最高的基底上皮细胞中,IFNa治疗后小鼠中一些典型的ISGs表达量急剧上升,而Ace2基因表达略微上升(图6C-D),这与小鼠体外细胞实验结果一致。

最终回到实际问题中,对18名甲型流感病毒或乙型流感病毒确诊个体的鼻洗剂样本进行scRNA-seq研究,从35840个细胞中鉴定出了17种不同的细胞类型(图6E)。基因富集分析结果显示,与病毒直接接触的杯状细胞和非直接接触的鳞状细胞中ACE2的表达量最高(图6F-G),ACE2+TMPRSS2+杯状细胞在流感病毒感染期间CXCL9/10/11等经典的ISGs表达量急剧上升。这些结果证实,ACE2是人原发性上呼吸道基底细胞中的一种ISG,而小鼠的Ace2并不是。


图6.IFNa腹腔注射小鼠鼻粘膜组织及流感患者鼻洗剂样本单细胞转录组图谱

总结与展望

本文利用人类、非人类灵长类动物和小鼠单细胞RNA测序(scRNA-seq)数据集,在各种组织和疾病样本中发现SARS-CoV-2的靶细胞为ACE2+/TMPRSS2+细胞,这些细胞包括II型肺泡细胞、吸收性肠细胞及鼻杯状分泌细胞。人呼吸道上皮细胞体外实验及病毒感染体内实验证实,ACE2是一种人干扰素刺激基因(ISG)。SARS-CoV-2通过组织特异性的上调ACE2(一种肺损伤中起保护作用的因子)表达来增强感染。

scRNA-seq的应用,使我们更好地了解在体外和体内病毒感染期间存在的细胞变异,在突发公共卫生挑战期间能够迅速共享关键数据,增进我们对疾病的了解。

参考文献:
Ziegler, C.G.K., Allon, S.J., Nyquist, S.K., et al. (2020). SARS-CoV-2 receptor ACE2 is an interferon-stimulated gene in human airway epithelial cells and is detected in specific cell subsets across tissues. Cell 181, 1016-1035.e19.


 

我来说两句
0  条评论    0 人次参与
登录 注册发布
最新评论刷新
查看更多评论 > >
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 搜索
  • 国际
  • 国内
  • 人物
  • 产业
  • 热点
  • 科普
  • 急聘职位
  • 高薪职位

知名企业招聘

热点排行

    今日动态 | 生物通商城 | 人才市场 | 核心刊物 | 特价专栏 | 仪器云展台 | 免费试用 | 今日视角 | 新技术专栏 | 技术讲座 | 技术期刊 | 会展中心 | 中国科学人 | 正牌代理商

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号