《eLife》新技术CyTOF-Lec追踪到HIV病毒的最佳感染点

【字体: 时间:2022年07月06日 来源:eLife

长期以来,艾滋病研究人员一直试图确定病毒喜欢感染和隐藏的特定细胞。他们知道艾滋病毒偏爱一种特殊类型的免疫细胞,称为记忆CD4 T细胞。但是这些细胞有很多种类,很难确切地确定是什么使一种类型的记忆CD4 T细胞比另一种更吸引艾滋病毒。

多年来,格莱斯顿助理研究员Nadia Roan博士和她的团队通过分析CD4 T细胞表面的蛋白质收集来解决这个问题。最近,他们将目光投向了细胞表面的另一种分子:糖。

Roan和Mohamed Abdel-Mohsen博士合作,Mohamed Abdel-Mohsen博士是威斯塔研究所的副教授,也是合成糖的细胞机制方面的专家。科学家们共同发现了不同免疫细胞上不同的糖模式,以及HIV和包衣CD4 T细胞的糖之间有趣的相互作用。他们将研究结果发表在《eLife》杂志上。

 

科学家们分析了单个免疫细胞表面的糖,以帮助识别艾滋病毒喜欢感染的细胞。

“我们的研究中最惊人的发现之一是,一种单一类型的表面糖的数量可以区分具有巨大不同生物特征的记忆CD4 T细胞和对艾滋病毒感染的易感性,”Roan说,他也是加州大学旧金山分校泌尿学教授和该研究的资深合著者。

这项工作还展示了一种研究来自大量群体的单个细胞的新技术,这可能导致更详细的细胞多样性的图像。

“细胞表面的糖有巨大的多样性,”该研究的资深合著者Abdel-Mohsen说。但它们一直没有得到足够的研究,部分原因是它们比蛋白质更难追踪。通过根据糖和蛋白质的结构对大量细胞进行分类,我们可能会发现一些之前没有研究过的新细胞,它们可能是解决重要生物问题的关键。”

观察单个细胞的糖衣

研究人员研究了各种单糖分子链。这些链的长度、分支模式和所含糖的类型各不相同,已知会影响许多细胞特性。

“我们想知道细胞表面的糖能在多大程度上帮助我们区分免疫细胞群中不同类型的细胞,”该研究的第一作者、格莱斯顿大学的科学家Tongcui Ma博士说。

为了回答这个问题,Roan的团队采用了一种名为CyTOF的技术,他们之前曾用这种技术研究单个免疫细胞的蛋白质结构。CyTOF依靠抗体来识别特定的蛋白质,并能同时记录近40种不同蛋白质的存在、缺失和数量。在这项研究中,研究小组用五种不同的凝集素取代了五种CyTOF抗体,凝集素是一种可以识别各种类型糖的分子。

“我们现在有了一个很好的工具包,可以非常详细地分析单细胞中蛋白质和糖的组合,”Nadia Roan博士说。

Abdel-Mohsen说:“我们的凝集素没有抗体那么多。但我们知道有几种凝集素可以区分不同形状和分子组成的各种糖,我们计划在未来使用新的凝集素来扩大我们的工作。”

通过改良后的CyTOF(他们将其命名为CyTOF-Lec),科学家们分析了来自人类捐赠者血液和组织的免疫细胞。他们发现,糖的模式取决于细胞来自哪里——血液、扁桃体和生殖道——以及它们是什么类型的免疫细胞——CD4 T细胞、其他T细胞和产生抗体的B细胞。

“我们现在有了一个很好的工具包,可以非常详细地分析单细胞中蛋白质和糖的组合,”Roan说。“由于体内所有细胞的表面都携带糖,我们相信CyTOF-Lec将在更广泛的生物医学研究领域发挥作用。”

HIV喜欢的“甜食”

受到这一发现的鼓舞,科学家们接着将CyTOF-Lec应用于他们在实验室中首次接触到HIV的CD4 T细胞。并不是所有的CD4 T细胞都会被HIV感染,多年来,Roan的团队和其他人已经发现了一些蛋白质模式,帮助识别最易感染的细胞。

科学家们还知道,在进入细胞后,艾滋病毒会改变细胞表面的蛋白质——这种现象被称为病毒重塑。Roan的团队开发了一种名为PP-SLIDE的生物信息学工具,可以在细胞被艾滋病毒感染和重塑之前重建细胞的轮廓。

通过将CyTOF-Lec与PP-SLIDE结合,该团队取得了两个重要发现。

首先,艾滋病毒似乎更容易感染记忆CD4 T细胞,它们的表面有两种最多的糖:聚焦糖和唾液酸。进一步的实验证实,其中一种糖,唾液酸(sialic acid),确实是HIV有效感染CD4 T细胞所必需的。

其次,艾滋病病毒进一步促进了这两种糖在其感染的细胞的生产,这表明重塑不仅限于蛋白质,也延伸到糖。

Tongcui Ma and Nadia Roan standing outside Gladstone Institutes

Ma(左)和Roan(右)发现艾滋病毒更喜欢感染唾液酸含量高的细胞,这种糖可能有助于病毒感染的细胞存活。

“有趣的是,似乎有多种机制确保受感染的细胞上有高水平的唾液酸:艾滋病毒倾向于有大量唾液酸的细胞,并进一步增加表面唾液酸数量的能力,”Roan说。“这可能有助于艾滋病毒感染细胞存活,因为唾液酸与逃避免疫监视有关。”

通过逃避免疫系统的监视,这些隐形的受感染细胞可能会让艾滋病病毒迅速控制并扩散到体内的更多部位。它们也可能是很好的治疗靶点。

艾滋病毒也以一种沉默的形式潜伏在一些细胞内,以躲避免疫防御。这些沉默或“潜伏”的受感染细胞很难根除,因为到目前为止还不可能明确地将它们与未受感染的细胞区分开来。Roan的团队现在计划将CyTOF-Lec应用于来自HIV感染者的样本,这些细胞即使在抗逆转录病毒疗法存在的情况下仍然存在。

Roan说:“通过这样做,我们可能会发现糖基生物标记物,可以用来瞄准和消除这些潜在的感染细胞。”

当然,这些诱人的假设还需要更多的实验来验证。但迄今为止的发现确立了CyTOF-Lec作为一种有希望的新工具,以发现新的细胞生物学,包括糖在被非HIV病毒感染(如SARS-CoV-2和流感)中的作用。

Single-cell glycomics analysis by CyTOF-Lec reveals glycan features defining cells differentially susceptible to HIV

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