浙大學(xué)者課題組解讀：單細(xì)胞測序成功繪制人胸腺發(fā)育細(xì)胞圖譜
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注：本文轉(zhuǎn)載自LabInOne。以下文章來源于JC Front Immunol ，魯林榮教授團(tuán)隊(duì)出品
魯林榮 浙江大學(xué)求是特聘教授 ：
1993年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)分子生物學(xué)系, 獲得學(xué)士學(xué)位。1993年保送中國科學(xué)院上海生物化學(xué)研究所研究生，師從中國科學(xué)院院士劉新垣和鄭仲承教授。1998年7月畢業(yè)獲得博士學(xué)位。1998-2001年在麻省理工學(xué)院健康科學(xué)與技術(shù)中心從事博士后研究。2001年開始在Dana-Farber腫瘤研究所跟隨美國科學(xué)院院士Harvey Cantor從事免疫學(xué)研究工作。先后任哈佛醫(yī)學(xué)院病理系及Dana-Farber腫瘤研究所助理研究員（Research Associate，2001-2004年），講師 （Instructor，2005-2008）和研究員（Senior Research Scientist，2008.1-2008.9）。
2008年7月受聘于浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院任免疫學(xué)研究所任教授，博士生導(dǎo)師。2014年被聘為浙江大學(xué)”求是特聘教授“，2015年起擔(dān)任浙江大學(xué)-愛丁堡大學(xué)聯(lián)合學(xué)院（ZJU-UoE Institute）副院長。在國際著名刊物如 Nature Immunology, Immunity, J. Exp. Med., PNAS和BLOOD 等雜志發(fā)表學(xué)術(shù)研究和綜述論文四十余篇。2010年入選教育部新世紀(jì)人才，2013年獲國家杰出青年基金資助，2014年入選科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才, 2016年入選中組部萬人計劃，被聘為愛丁堡大學(xué)榮譽(yù)教授?，F(xiàn)任中國細(xì)胞生物學(xué)會免疫細(xì)胞分會秘書長，CMI (Cellular and Molecular Immunology), AJCEI (American Journal of Clinical and Experimental Immunology)，F(xiàn)rontiers in Immunology 和《中國免疫學(xué)雜志》編委。
撰稿 | 崔則瑾
校審 | 魯林榮教授
01
背景介紹
這篇文章由來自比利時根特大學(xué)Tom Taghon教授以及英國Muzlifah Haniffa和Sarah A. Teichmann教授三個研究團(tuán)隊(duì)合作完成。該研究利用了scRNA-seq的技術(shù)，成功繪制了人胸腺細(xì)胞發(fā)育的單細(xì)胞圖譜，并重建T細(xì)胞分化軌跡和T細(xì)胞受體(TCR)重組動態(tài)途徑。使我們對于人T細(xì)胞的發(fā)育過程有了更加直觀清晰的認(rèn)識。
胸腺在適應(yīng)性免疫建立以及中樞免疫耐受形成中起到關(guān)鍵作用。從1961年Jacques F. A. P. Miller提出胸腺具有重要的免疫功能以及發(fā)現(xiàn)了T細(xì)胞開始，到現(xiàn)在過去了近60年，科學(xué)家們對于胸腺以及T細(xì)胞發(fā)育的研究一直在繼續(xù)。以動物模型和人類外周血為研究材料，世界各國的研究者們逐步揭示了T細(xì)胞發(fā)育的過程以及其中的機(jī)制包括各個階段T細(xì)胞不同亞型的分化，T細(xì)胞與胸腺內(nèi)其他類型細(xì)胞的相互作用以及TCR重排的機(jī)制。但是幾乎沒有關(guān)于人類胸腺不同發(fā)育時期研究的全面數(shù)據(jù)。
02
主要發(fā)現(xiàn)
通過對人不同發(fā)育時期的胸腺進(jìn)行單細(xì)胞RNAseq，確認(rèn)了超過50種細(xì)胞類型，揭示了兒童到成人的過程中胸腺細(xì)胞種類的演化過程。
計算出人的T細(xì)胞從早期造血的胎肝祖細(xì)胞發(fā)育為多種成熟的T細(xì)胞類型的發(fā)展軌跡，利用這一軌跡，構(gòu)建了轉(zhuǎn)錄因子驅(qū)動T細(xì)胞命運(yùn)決定的框架。
在胸腺的非常規(guī)T細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)了CD8 T細(xì)胞的一個明顯的亞群，該亞群以GNG4表達(dá)為標(biāo)志，位于胸腺的髓周區(qū)。對比人和鼠的表達(dá)，在這些非常規(guī)的細(xì)胞中，表達(dá)基因十分不同。
確定了重組和多輪篩選形成的人類VDJ使用的強(qiáng)烈偏倚，包括對CD8+ T細(xì)胞的TCR V-J偏倚。
- 邏 輯 路 線 分 析 -
通過對15個產(chǎn)前胚胎以及9個出生后不同時期胸腺進(jìn)行單細(xì)胞測序，作者發(fā)現(xiàn)在胸腺發(fā)育的各個時期中存在著40多種不同類型的細(xì)胞（fig1. C.D）。并且根據(jù)基因的表達(dá)發(fā)現(xiàn)了之前沒有報道過的纖維母細(xì)胞Fb1,Fb2，以及胸腺上皮細(xì)胞TEC(myo)，TEC(nuro)并對利用smRNA技術(shù)對這些細(xì)胞在胸腺中進(jìn)行定位(fig1. E.F)。最后將不同的細(xì)胞進(jìn)行其在發(fā)育時的動態(tài)分析，得出T細(xì)胞的發(fā)育并不是孤立的而是和胸腺中其他細(xì)胞相輔相成(fig1. G)。
fig 1: 發(fā)育中的人類胸腺細(xì)胞組成，鑒定并定位了人胸腺中新型的纖維母細(xì)胞以及上皮細(xì)胞
將胚胎時期的肝臟與胸腺的單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，明確了ETP來源于肝臟(fig2. A.B)，驗(yàn)證了常規(guī)T細(xì)胞發(fā)育的過程，以及TCR重拍與細(xì)胞增殖之間的關(guān)系(fig2.C-F)。并且認(rèn)識到胸腺發(fā)育的有序進(jìn)行都是由不同的基因規(guī)律的按照時間順序表達(dá)的結(jié)果(fig2.G)。最后作者將T細(xì)胞發(fā)育各個時期的標(biāo)志分子與轉(zhuǎn)錄因子對應(yīng)起來構(gòu)建了胸腺發(fā)育轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)(fig2.I)。
fig.2 早期胸腺祖細(xì)胞(ETPs)的胸腺來源與T細(xì)胞分化軌跡
作者在研究中也發(fā)現(xiàn)了一些非常規(guī)的T細(xì)胞(fig3.A)并對其標(biāo)志基因的表達(dá)也進(jìn)行了鑒定(fig3.B)。并對于其中新發(fā)現(xiàn)的GNG4+CD8在胸腺中進(jìn)行了定位(fig3.I)，并又通過分選驗(yàn)證了其研究的準(zhǔn)確性(fig3.J)。
fig3. 胸腺中非常規(guī)T細(xì)胞的發(fā)育——鑒定出胸腺髓質(zhì)中GNG4+ CD8 T細(xì)胞
作者發(fā)現(xiàn)胸腺中存在一群之前沒有報道過的DC新亞型稱為aDC，并且這類DC高表達(dá)趨化因子相關(guān)的基因(fig4.A.B)。通過結(jié)合CellphoneBD數(shù)據(jù)庫，將DC以及TEC與分化的T細(xì)胞進(jìn)行分析，闡明了胸腺發(fā)育過程中T細(xì)胞遷移的原理，并通過細(xì)胞定位驗(yàn)證其計算正確性(fig4.C-H)。
fig 4. 樹突狀細(xì)胞的招募和激活以進(jìn)行胸腺細(xì)胞的選擇
通過對于TCRVJ基因集進(jìn)行的表達(dá)分析，表明TCR在重排時對于基因的片段是有偏好性的(fig5.A.B)。并且這種偏好性與基因所在的位置有關(guān)，即在VDJ重排時，越靠近的兩個基因重排的幾率越高(fig5.C.D)。作者為了進(jìn)一步研究不同T細(xì)胞種類之間是否存在TCR庫的差異，通過主成分分析表明CD8+T細(xì)胞與其他類型明顯分離(fig5.E)，并且其VJ重排與其他細(xì)胞都有所不同(fig5.F)。
fig 5. 人類TCR庫形成和選擇存在固有的偏差
03
創(chuàng)新點(diǎn)
1
繪制出完整的胸腺地圖
來自根特大學(xué)Tom Taghon實(shí)驗(yàn)室和炎癥研究中心Yvan Saeys實(shí)驗(yàn)室的研究人員在繪制胸腺所有細(xì)胞圖譜的過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。這個單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜包含超過250000個細(xì)胞。通過這個圖譜讓我們對于胸腺細(xì)胞的組成的了解更加全面。
2
發(fā)現(xiàn)新療法的地圖集
胸腺細(xì)胞圖譜項(xiàng)目為新的臨床應(yīng)用和治療奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。它還幫助科學(xué)家更好地了解影響T細(xì)胞發(fā)育的疾病，如嚴(yán)重聯(lián)合免疫缺陷(SCID)和T細(xì)胞白血病。此外，所有胸腺細(xì)胞類型的知識將有助于研究人員可能產(chǎn)生再生醫(yī)學(xué)人工胸腺。
04
可進(jìn)一步拓展的研究
文章中對于胸腺微環(huán)境有了比較深刻的描述，揭示了胸腺中細(xì)胞類型的復(fù)雜性，同時也讓我們對于胸腺基質(zhì)細(xì)胞和先天免疫細(xì)胞之間的相互作用以及其協(xié)調(diào)胸腺發(fā)育以支持T細(xì)胞的分化的作用認(rèn)識更加深刻。作者的研究可以用來增強(qiáng)體外培養(yǎng)系統(tǒng)以產(chǎn)生T細(xì)胞，并將影響未來的T細(xì)胞治療工程策略。
根據(jù)作者們發(fā)現(xiàn)的TCR基因重排的偏差，可能對我們?nèi)绾螒?yīng)對抗原刺激有著深遠(yuǎn)的影響。
您好 這個是魯教授公眾號解讀的國外老師組的文獻(xiàn)，不是浙大魯教授組的工作，還請您修改一下標(biāo)題，非常感謝~