基于大型队列和单细胞RNA测序技术开展狼疮免疫调节研究

　　

为了配合狼疮宣传，我们在此分享两项创新研究，这两项研究带来了有关系统性红斑狼疮（SLE）的新见解，有助于了解循环免疫细胞的基因组差异与细胞类型特异性的基因表达特征之间的关系。这些结果有助于确定狼疮的遗传基础，并表征下游驱动自身免疫性疾病的细胞和分子机制。

对于一种每位患者的表现都不同的疾病，该如何诊断和治疗？系统性红斑狼疮（SLE）就是这样一种高度异质性的自身免疫性疾病，导致受影响的器官（包括关节、皮肤、脑、肺、肾和血管）出现广泛的炎症和组织损伤(1)。出于这个原因，医生和科学家仍然很难确定病因，需要以更大规模对狼疮的免疫图谱进行更深入的分子表征。

尽管狼疮的临床表现多种多样，但Perez等人和Yazar等人近期发表在《Science》杂志上的两篇论文各自描述了一种研究狼疮免疫调节的实验方法，有望大大推动我们对驱动免疫功能障碍的潜在机制的认识。这两种方法都使用了大型患者队列和单细胞RNA测序技术，构建了供体外周血单核细胞（PBMC）中超过120万个循环免疫细胞的分子图谱。具体来说，Perez等人分析了162名狼疮患者和99名健康对照的样本，而Yazar等人分析了一个由982名健康受试者组成的队列。他们对样本进行基因分型，鉴定出单核苷酸多态性（SNP），然后将其与群体遗传学数据相整合，以评估与自身免疫性疾病风险基因座的关联。

对狼疮免疫细胞的全面普查

以往的研究已经确定狼疮发病的关键罪魁祸首是异常的T细胞生物学，“它通过分泌促炎细胞因子加重炎症，帮助B细胞产生自身抗体，并通过自身反应性记忆T细胞的积累来维持疾病”(2)。然而，到目前为止仍缺乏一张狼疮免疫景观的全面图谱(3)。于是，Perez等人集中精力来表征SLE和健康样本的细胞组成以及细胞类型特异性的转录组特征，包括SLE病例的疾病相关特征，它们可能代表了所有患者的共同表型线索。

Perez等人发现，SLE PBMC的标志是CD4+ T细胞的比例总体下降，特别是CD4Naïve细胞亚群，以及经典单核细胞的增加。这也许能解释一种在SLE患者身上经常观察到的现象——淋巴细胞减少症（也就是白细胞数量减少），重要的是，这并不是免疫抑制剂治疗的结果(3)。

通过分析SLE病例的CD8+ T细胞区室，他们观察到，表达颗粒酶的CD8GZMH细胞比例与对照相比显著增加。这些细胞在转录上是异质性的，其混合群体的细胞毒性、耗竭和干扰素刺激基因（ISG）特征表达升高。单细胞免疫组库测序进一步细化了CD8+ T细胞的克隆性；在扩增的克隆中，59%来自CD8GZMH细胞，21%来自CD8GZMK细胞。在CD8GZMH亚群中，表达细胞毒性基因表达特征的细胞的扩增比例大约是表达ISG特征的细胞的四倍(3)。在评论这些T细胞特征时，作者指出，“颗粒酶H的功能尚未充分鉴定，但之前的研究表明它在启动T细胞的caspase依赖性凋亡和启动NK细胞的caspase依赖性凋亡中发挥不同作用……GZMH+ CD8+ T细胞的显著克隆扩增，特别是在细胞毒性亚群中，表明这些细胞在SLE中发挥致病作用。”

Perez等人主要关注狼疮患者和健康对照在免疫图谱上的整体差异。他们对11种已鉴定的循环免疫细胞类型进行了差异基因表达分析。结果显示，302个基因在SLE病例和对照之间的至少一种细胞类型中存在差异表达。其中，238个是之前未描述过的成人SLE的差异表达基因，而56个是骨髓特异性的(3)。

图中显示了血液中的免疫细胞和非免疫细胞类型。图片来源：Rühle等人。https://www.researchgate.net/figure/Schematic-overview-of-the-34-immune-cell-and-3-non-immune-cell-subsets-that-can-be_fig12_306074018

这项分析还突出了六个独特的基因表达模块——例如Panup模块，一组ISG在所有细胞类型中都上调；Myeup模块，这个骨髓特异性的模块表达IFITM3，它之前被归类到儿科SLE。重要的是，利用这些模块可对SLE病例和对照进行分层以及对疾病发作的患者进行分层。总之，这些发现标志着我们对定义狼疮免疫图谱和不同临床表现的分子特征的基本认识有了巨大飞跃。

当群体遗传学遇到单细胞RNA-seq

在定义了狼疮患者和健康受试者外周免疫图谱中的细胞类型特异性表达特征后，研究小组希望将他们的结果与更深层次的生物学相整合：基因组。他们是否能找到一些潜在的疾病相关遗传变异，这些变异引起了他们观察到的自身免疫性疾病的细胞和转录组特征？

他们的方法使用了基因分型数据，这些数据生成了表达数量性状基因座（eQTL）的读数，也就是解释mRNA表达水平差异的基因座。局部或cis-eQTL位于产生转录物的基因附近的非编码区。根据Sumida和Hafler的说法，“非编码区内有许多常见的等位基因变异，它们的影响很小，并具有复杂的相互作用，高度依赖于细胞类型和细胞状态”(4)，因此拥有细胞类型特异性的基因表达读数就变得更加重要，可用于变异的映射。

在SLE样本最主要的八种细胞类型中，Perez等人鉴定出535个至少有一种细胞类型特异性cis-eQTL的基因以及1,207个存在共享cis-eQTL的基因(2)。接着，他们将SLE的GWAS数据与这些基因座相整合，以确定哪些细胞类型中的cis-eQTL可能含有疾病相关GWAS关联。结果显示经典单核细胞和B细胞含有的GWAS鉴定出的SLE变异最多，进一步强调了这些细胞可能在疾病发生中发挥作用。更广泛地说，总共有七个与SLE疾病相关的基因座与细胞类型特异性的cis-eQTL定位相同，包括17q21，这个基因座之前与哮喘、克罗恩病和1型糖尿病相关联(3)。

Yazar等人采用了群体规模的方法，将大样本队列的单细胞eQTL数据与七种常见的自身免疫性疾病（包括狼疮）的GWAS数据相整合。他们发现19%的cis-eQTL与GWAS风险关联有着相同的因果基因座，并发现了305个特定基因座，它们通过特定细胞类型和亚群的基因表达变化引起自身免疫性疾病。这包括一些共享的因果基因座，其中38.4%位于主要组织相容性复合物区域以外(5)。

这两项分析强调了将基因组和转录组技术相结合的潜力，这不仅能互相提供信息，还能更深入地注释与疾病相关的风险基因座，不仅将遗传变异映射到致病基因，还映射到驱动疾病发生的特定细胞类型和通路。有了这份疾病潜在机制的高分辨率视图，未来有望改善狼疮等自身免疫性疾病的诊断和治疗。

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参考文献：

1. https://www.cdc.gov/lupus/facts/detailed.html#sle

2. Suárez-Fueyo A, et al. T cells in systemic lupus erythematosus. Curr Opin Immunol 43: 32–38 (2016). doi: 10.1016/j.coi.2016.09.001

3. Perez R, et al. Single-cell RNA-seq reveals cell type-specific molecular and genetic associations to lupus. Science 376: eabf1970 (2022). doi: 10.1126/science.abf1970

4. Sumida T and Hafler D. Population genetics meets single-cell sequencing. Science 376: 134–135 (2022). doi: 10.1126/science.abq0426

5. Yazar S, et al. Single-cell eQTL mapping identifies cell type-specific genetic control of autoimmune disease. Science 376: eabf3041 (2022). doi: 10.1126/science.abf3041