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ScRNA-Seq联合Ab-Seq提示HIV-1慢性感染MAIT细胞功能损伤新机制

时间:2020-03-03    |    阅读量:924

人类免疫缺陷病毒(HIV)是一种能够攻击人体免疫系统的病毒,主要感染并破坏CD4+T淋巴细胞。大量研究发现,HIV感染者体内多种细胞,包括单核细胞、树突状细胞、NK细胞、天然免疫T细胞等免疫功能缺失或降低,导致机体不能有效清除HIV病毒。特别是近年来研究提示,HIV慢性感染时,机体多个淋巴器官和淋巴组织(包括肠道、骨髓、淋趋承等)的区域免疫能力大幅受损,并对机会性感染的防御能力大大降低。然而,HIV诱导的区域免疫损伤机制尚不甚清楚,目前在临床上还缺乏靶向机体区域免疫的治疗策略和手段。

粘膜相关恒定T细胞(Mucosal associated invariant T, MAIT)是一类进化保守的天然免疫T细胞,表达半恒定T 细胞受体(T cell receptor, TCR)Vα7.2-Jα33链。不同于识别特异性肽类抗原的传统T 细胞,MAIT细胞能够识别MHC-I相关蛋白(major histocompatibility complex class I -related protein 1, MR1)限制性呈递的、细菌源性的维生素B 类代谢产物,并发挥生物学功能。MAIT细胞参与了人体对抗感染性病原体的免疫防御过程,同时还调控多种炎症反应性疾病的病理过程。HIV感染也会导致机体MAIT 细胞数量减少和功能降低,其机制尚不明确。

2020年2月19日,南方科技大学第二附属医院/深圳市第三人民医院张政团队在Science Advances发表题为:Sustained IFN-I  Stimulation Impairs MAIT Cell Responses to Bacteria by Inducing IL-10 during chronic HIV-1 Infection的研究论文。该研究阐明了HIV感染中IFN-I的免疫致病新机理,为研发阻遏HIV感染者体内MAIT细胞功能损伤、降低HIV感染者易感结核提供了新的策略和科学手段。



分析思路:

测序样本信息:

17例未接受ART治疗的病毒性HIV-1感染者、17例接受2至5年ART治疗的HIV-1感染者、16例未感染HIV-1健康对照

测序平台:

BD Rhapsody,Illumina NovaSeq

分析策略:

研究结果:

1. HIV-1感染者的MAIT细胞对大肠杆菌的反应减弱,但对IL-12 / 18刺激的反应正常

研究者首先对17例未接受ART治疗的病毒性HIV-1感染者、17例接受2至5年抑制性ART治疗的HIV-1感染者、16例未感染HIV-1对照(HC)的外周血单个核细胞(PBMC)中MAIT细胞进行了分析。分析发现,与对照相比,无论是否接受ART治疗,HIV-1感染患者的MAIT细胞含量均显着降低,并且,长期的抗逆转录病毒治疗并未恢复患者外周血中的MAIT细胞。

研究者通过对在多聚甲醛(PFA)固定的大肠杆菌或IL-12/18刺激后,产生IFN-γ、细胞毒性蛋白GzmB和CD107a的能力来评估MAIT细胞的功能。结果与先前的发现一致,与对照组相比,HIV-1感染者的MAIT细胞对大肠杆菌刺激产生IFN-γ,GzmB和CD107a的水平低很多。

图1来自HIV感染患者和健康对照的MAIT细胞对大肠杆菌或IL-12 / 18刺激的功能活性


2. MAIT细胞在HIV-1感染过程中表现出抑制受体和IFN刺激基因上调的激活状态

为了确定HIV-1感染期间MAIT细胞的表型和分子特征,研究者使用了Abseq结合BD Rhapsody平台的scRNAseq来比较2个健康对照和4个病毒性HIV-1感染患者(viremic HIV-1–infected subjects, VIR)总外周T细胞中29种表面蛋白的表达水平和259个基因的mRNA转录水平。共分为18个cluster,根据细胞的基因转录和表面蛋白表达情况,鉴定出六个CD8 T细胞(C0-C2,C8,C11和C13)、五个CD4 T细胞(C3,C5,C6,C9和C12)亚群、以及NK细胞(C4)和MAIT /γδT细胞(C7)亚群。与健康对照相比,VIR患者的CD4 T细胞比例降低、C7亚群的MAIT /γδT细胞也有所减少,而CD8 T细胞比例升高。

为了更加准确地分析MAIT细胞,在C7中去除了γδT细胞后进一步分析。在HIV+和健康对照之间筛选MAIT细胞中差异表达的基因和表面蛋白,共有72个显着上调,20个下调(P <0.01)。其中上调的蛋白质和基因,包括激活的CD38,CD134和HLA-DRA,耗竭相关基因LAG3和TIGIT,和IFN刺激基因(ISG),包括CXCR3,STAT1和CCL5。相反,HIV-1感染患者的MAIT细胞中与T细胞功能相关的蛋白质和基因,包括CD7,CD98,CD54,DUSP1,KLRB1和JUN均下调。GO富集分析进一步表明,VIR患者的MAIT细胞中的上调基因富集在细胞激活途径。因此,来自HIV-1感染患者的MAIT细胞表现出免疫激活的基因特征,与抑制性受体上调和ISG表达增加有关。

图2 HIV-1感染中T细胞亚群的单细胞转录和表面蛋白表达谱


3. HIV-1感染期间持续的IFN-I信号传导与MAIT细胞功能障碍有关

ScRNAseq和Abseq结果表明,HIV+患者MAIT细胞中ISG的上调导致IFN-I信号增加可能在MAIT细胞功能障碍中发挥作用。研究者进一步评估了IFN-α和IFN-β以及IFN-γ诱导的蛋白IP-10和IL-10的表达水平,结果显示,VIR患者血浆中的IFN-α和IP-10浓度明显高于对照和ART治疗患者。值得注意的是,VIR患者在响应大肠杆菌刺激后,IP-10血浆水平与MAIT细胞产生的IFN-γ或GzmB呈负相关。这些结果表明,IFN-I信号传导可能与HIV-1感染期间MAIT细胞功能受损有关。

图3 IFN-1信号转导与HIV-1感染中MAIT细胞功能障碍的相关性


4. 持续的IFN-α预处理可抑制MAIT细胞的功能

研究者通过用IFN-α分别处理24、48或72小时,探究IFN-α是否影响MAIT细胞对大肠杆菌以及IL-12 / 18刺激的反应。发现持续的IFN-α处理抑制了MAIT细胞对大肠杆菌的反应,而对细胞因子的刺激无抑制作用。(图4)


图4 IFN-α预处理可抑制MAIT细胞对大肠杆菌的反应



为了研究IFN-α如何削弱MAIT细胞对大肠杆菌的反应,研究者通过筛选一系列细胞进行大肠杆菌刺激实验,结果发现单核细胞是自发和IFN-α诱导的IL-10的主要来源,持续的IFN-α刺激主要通过单核细胞产生的IL-10抑制MAIT细胞的功能。(图5)

图5 IFN-α诱导单核细胞产生IL-10,并抑制MAIT细胞功能


5. 阻断IFNARIL-10R可以恢复HIV-1感染期间MAIT细胞的抗菌反应

研究者在体外用HIV-1病毒感染了含有或不含富集pDC的PBMC,发现HIV-1感染可诱导IP-10和IL-10的水平的显著升高,而抗IFNAR2抗体则可将其消除,证明IFN-I信号在HIV-1存在的情况下被激活。研究者随后分析了IL-12和IL-10途径对MAIT细胞响应的影响,结果表明添加IL-12可以增加VIR患者MAIT细胞中IFN-γ和GzmB的产生,但不能提高CD107a的产生,而在ART治疗患者中这三种蛋白质的表达均升高;阻断IL-10R可以提高VIR和ART患者MAIT细胞中IFN-γ,GzmB和CD107a的产生。

HIV-1感染患者的结核分枝杆菌(Mtb)的合并感染率很高,这也是导致艾滋病相关死亡的主要原因之一。感染HIV-1的患者其MAIT细胞抗Mtb的功能受损。研究者对恢复MAIT细胞功能是否可以提高HIV-1感染患者MAIT细胞的抗Mtb能力进行了研究,结果表明,阻断IL-10R显著增加了来自VIR和ART患者的MAIT细胞对H37Ra的反应,这表明HIV-1感染患者MAIT细胞的抗Mtb反应能力得到了改善。

图6 MAIT细胞在HIV-1感染中的抗菌功能的恢复


综上所述,该研究团队阐明了HIV感染中IFN-I的免疫致病新机理,证实了pDC/IFN-I通路激活是HIV感染引起淋巴组织区域免疫损伤(包括肠道、骨髓等)的关键“扳机点”,提出了体内阻断IFN-I或IL-10恢复上述重要脏器免疫功能的新的治疗策略。


原文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/8/eaaz0374





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