珍藏版综述 | 以HIV为例的单细胞分析,将为病毒研究与治疗开创新的道路!

2020
11/06

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默茉 / 生命科学前沿
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瑞士科学家发表综述,旨在提供艾滋病毒领域单细胞分析的最新概况以及获得的关于艾滋病毒感染、潜伏期和宿主反应的知识。

 

本文转自公众号生命科学前沿,作者默茉,转载请联系原作者。

虽然细胞群分析提供了关于病毒感染的平均信息,但单细胞分析从个体出发,揭示了更为广泛的多样性,并确定了可用于进一步理解复杂病毒-宿主相互作用的极端表型。单细胞技术在HIV感染的背景下的应用被证明是有价值的工具,有助于发现特定的生物标志物以及病毒-宿主相互作用中的新候选分子。

2020年10月,瑞士科学家Ludivine Brandt等人在Annual Reviews发表了名为Single-Cell Analysis Reveals Heterogeneity of Virus Infection , Pathogenicity , and Host Responses : HIV as a Pioneering Example的综述,旨在提供艾滋病毒领域单细胞分析的最新概况以及获得的关于艾滋病毒感染、潜伏期和宿主反应的知识。

单细胞技术

单个小鼠卵裂球转录组分析的获得,标志着单细胞技术(单细胞RNA测序(scRNA-Seq))的开启。对单个细胞的研究主要分为两步,一方面需要单细胞分离,另一方面需要在分子水平上对细胞进行分析。

单细胞分离

单细胞分离可以通过多种方法实现。流式细胞荧光分选技术(FACS)利用流式细胞术使用荧光报告或基于抗体的特定蛋白质识别进行单细胞分选,但此种方法可能会导致细胞损伤。最近已开发出新的设备,可最大程度地减少对细胞的干扰。纳米和微流体技术的进一步发展,结合细胞标引和条形码技术,进一步推动了可以分离和分析的单个细胞的数量。单细胞分离技术在过去的十年中得到了改进,从2009年手动分离的一个单细胞到如今的机械分离的100000个细胞。

单细胞分析

分子生物学的最新进展(如测序技术),使得支持研究和表征单个细胞的各种组学方法(图1)得以发展。目前最常用的单细胞分析技术是全转录组分析。为了执行scRNA-Seq,首先要获得足够的RNA。利用反转录将RNA转化为cDNA并且在cDNA文库构建之前进行富集。反转录和cDNA文库制备有多种方法,其中研究证明全长方法可能更适用于小样本的同种型分析、选择性剪接和单核苷酸多态性鉴定,而基于标签的方法可能更适用于复杂细胞样本中的基因表达定量。

图1单细胞技术

单细胞限制

单细胞分析提供了探索细胞异质性本身的方法,以及应对病毒感染的细胞异质性,为识别病毒-宿主相互作用中的新参与者提供了前所未有的机会。然而,单细胞技术仍受到多种技术的限制,如技术限制,表型关联,以及单细胞分析和表型之间可能的时间间隔。

异质细胞对HIV的异质反应

迄今为止,在艾滋病病毒领域,单细胞技术主要用于识别以下特定基因特征:对HIV感染的细胞容许性、潜在的HIV感染细胞及其再激活以及免疫细胞对HIV感染的控制(图2)。

图2 HIV单细胞研究时间表

HIV的容许性

最近两项使用不同方法的研究表征了HIV容许性(图3)。第一项研究指出原始CD4+T细胞由于CCR5的表达较低,因此大部分不具有HIV容许性。第二项研究证明了记忆CD4+T细胞更容易感染HIV。同时研究指出表达某些激活标记(CD69,CD38),CD57和低水平的CD127(白介素7受体)的Th17(CCR6+CCR4+)和Tfh(PD1+CXCR5+)的细胞被证明是最具容许性的。表达高水平CD25,CD298,CD63和CD317细胞表面分子的CD4+T细胞与I型干扰素(IFN)反应受损和某些HIV限制因子表达降低的细胞相对应,这与HIV感染的容许表型一致。这两项研究是互补的,指出活跃的细胞状态和受损的免疫反应因子是HIV容许性的决定因素。

图3 HIV容许性的决定因素

HIV致病性:潜伏期与重新激活

联合抗逆转录病毒疗法(ART)可以有效阻止艾滋病毒疾病的进展,但它不能完全消除病毒,患者体内会存在持续的病毒库,所以需要对HIV+个体进行终生治疗。因此,了解这一潜伏特征是治愈HIV的关键。

单细胞研究有助于探索HIV潜伏期建立和再激活的异质性。利用单细胞技术可以研究病毒-宿主相互作用的三个方面:(a)宿主细胞环境和遗传组成,(b)整合位点位置和核位置,以及(c)病毒基因表达(图4)。研究表明,潜伏细胞群以及HIV再激活具有异质性。无论T细胞亚群或细胞环境如何,只有一小部分细胞被有效地重新激活。因此,科学家们又进行了一系列实验探究影响潜伏期建立的其他因素。一系列的研究证明早期病毒蛋白Tat的表达水平、宿主细胞环境和整合位点的位置都可以不同程度地影响病毒基因的表达。另外,研究还指出潜伏给慢病毒带来了进化优势。

图4潜伏感染CD4+T细胞的相关特征

宿主对艾滋病毒的反应:免疫细胞的免疫控制

个体对HIV感染的反应不同,少数HIV+能够控制HIV感染并保持其免疫功能,他们被称为精英控制者(ECs)。然而,在大多数HIV+(正常/快速进展者)中,免疫反应无法控制HIV,导致免疫系统衰竭(图6)。那么是什么原因导致了这种差异呢?

一系列研究探究了ECs对HIV的免疫反应。研究发现,ECs的免疫细胞CD8+Tcm中效应功能基因(GZMB,GZK,CCL3,CCL3L1,XCL1)、存活基因(CD69,KLRD1)、诱导凋亡基因(FASLG,TNF,TRAIL)以及IFNB均过度表达。另外,这些细胞能够使用脂肪酸为能源。还有研究指出,ECs与表达高水平CD1c+、CD32b和HLA-DR的特定经典树突状细胞(cDC)簇相关。通过细胞因子分析进行的研究指出,ECs中抑制性受体表达下调、细胞溶解分子表达下调和细胞因子表达上调,这使得CD8+T细胞的功能得以保留。另外,研究还指出恢复B细胞功能可以部分有助于抗体介导的艾滋病毒感染控制。

图5HIV的宿主免疫控制

单细胞分析为HIV复制提供了进一步的线索,并为新的有针对性的治疗干预铺平了道路。此外,这些HIV研究为其他病毒的研究提供了有用和有价值的模型。最后,作者指出开发和有效整合广泛多样的单细胞研究可以有效提高病毒控制。

全文链接

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

 

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关键词:
HIV,单细胞分析,HIV感染

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