今天给大家介绍的这篇文章于2月3日发表于Cell主刊，题目为“COVID-19 immune features revealed by a large-scale singlecell transcriptome atlas”，文章第一作者和通讯作者中汇集了多名我国单细胞测序方面的顶尖专家，让我们来走进这篇文章，看看感染COVID-19后的免疫学特征有什么变化？
研究方案
实验结果
图 1 不同组织及不同程度的COVID-19患者的单细胞图谱
（1）细胞分群。在不同组织中，共筛选出1462702个细胞，并对这些细胞进行分群。从细胞亚群命名的规则中，可以看出沿用了张泽民老师团队一贯的命名原则：细胞类型+cluser+高表达基因，从图1C中可以看出再BALF中增殖的CD8+，CD4+T细胞以及浆细胞比PBMC更加富集，并且在重度进展的COVID-19中患者增殖和激活的B，T以及巨噬细胞更加富集。
图 2 PBMC中患者年龄，性别，疾病严重度，所处状态与细胞组成的相关性
（2）PBMC中各种免疫细胞的组成变化。
值得注意的是，PBMC中巨核细胞和CD14 +单核细胞的比例升高，尤其是在疾病进展阶段的严重COVID-19患者中。虽然NK细胞在不同组之间没有显示出显着变化，但病情严重的COVID-19患者的B细胞显着增加，但T细胞和DC却出现减少（图S2A），这与先前报道的淋巴细胞减少现象一致。
（3） PBMC中患者年龄，性别，疾病严重度，所处状态与细胞组成的相关性。
在进行ANOVA相关性分析中，作者发现尽管大多数B细胞亚群与疾病恢复状态相关，但XBP1 +浆细胞（B_c05-MZB1-XBP1）显示出与COVID-19严重程度相关（图2A）。XBP1，POU2AF1，PRDM1和IRF4在B_c05-MZB1-XBP1中高度表达（表S2），确认该亚群为浆细胞。在严重的COVID-19患者中，浆细胞的百分比可以达到15％，但其他病情的人都不能达到3％（图2B）。不论样品类型（新鲜或冷冻，图2B）都观察到了这种增加，表明这种结果的可靠性。同样，这种增加也与采样时间无关（图2A）。PBMC中的这些浆B细胞高度表达编码IgA1，IgA2，IgG1或IgG2恒定区的基因（图2C），表明它们分泌抗原特异性抗体的功能。PBMC中浆细胞的增加来自增殖和记忆B细胞的转化。浆细胞前体浆母细胞高表达MKI67，表明其处于增殖状态，并且在重症COVID-19患者PBMC中比例升高。表达相对较高水平的CD27，CD80，AIM2，GRIP2和COCH的记忆B细胞亚群（B_c03-CD27-AIM2）是血浆B细胞的第二大主要来源，并且与浆细胞和浆母细胞具有相同的克隆比例。Neu_c3-CST7是PBMC中最大的中性粒细胞亚群，与患者年龄，COVID-19严重度和疾病期相关。对于T细胞，高表达MKI67 marker的各种增殖性T细胞亚群表现出与COVID-19严重程度和阶段明显不同的关联（图2A）。T_CD4_c13 MKI67-CCL5low 210细胞在COVID-19患者中升高，尤其是在疾病进展阶段的严重患者中（图2F）。存在三个增殖性CD8 + T细胞亚群，包括T_CD8_c10-MKI67-GZMK，T_CD8_c11-MKI67-FOS和T_CD8_c12-MKI67-TYROBP。他们在COVID-19患者中增加，但与COVID-19严重程度有不同的关联（图2A）。T_CD8_c10-MKI67-GZMK是高表达STMN1，HMGB2，MKI67和GZMK的增生效应记忆CD8 + T细胞群，在重症COVID-19患者中尤其是在恢复期有所增加（图2G）。不同严重程度和阶段的细胞亚群可能表明SARS-CoV-2感染诱导的T细胞应答的复杂性。
图 3 TCR&BCR与患者年龄，性别，疾病严重度，所处状态的相关性
（4）TCR&BCR与患者年龄，性别，疾病严重度，所处状态的相关性。ANOVA表明，PBMC中B和T细胞亚群的多样性与各种临床特征具有关联性（图3A）。如T_CD4_c02-AQP3（图3B），T_CD4_c08-GZMK-FOShigh（图3C），T_CD8_c01-LEF1（图3D）和T_CD8_c02-GPR183（图3E）所示，这些T细胞亚群的TCR多样性重度COVID-19患者比中度患者要小，尤其是在疾病进展阶段。然后作者进一步发现在不同患者中相同的BCR和TCR非常有限，这与前期流感疫苗中恢复的重症患者方面的研究形成对比，表明SARS-CoV-2感染可能不会对TCR和BCR的体细胞进化施加巨大的选择性压力。
图 4 不同细胞类型中的SARS-CoV-2 RNA
（5）在多种上皮和免疫细胞类型中检测到SARS-CoV-2 RNA。从处于病程进展期的重症COVID-19中，纤毛，分泌和鳞状上皮细胞以及多种免疫细胞包括中性粒细胞，巨噬细胞，血浆B细胞，T细胞和NK细胞检测到SARS-CoV-2病毒RNA。在BALF中，中度COVID-19患者的细胞较少，未检测到SARS-CoV-2RNA。有趣的是，免疫细胞比上皮细胞具有更多的病毒RNA序列（图4C），并且作者发现ACE2和TMPRSS2在那些上皮细胞的子集中表达。但是，那些免疫细胞不表达ACE2或TMPRSS2，在之前的研究中发现BSG和TFRC与不同细胞类型中病毒RNA的丰度相关。由于干扰素刺激基因（ISG）通常与病毒RNA感受相关，因此作者检查了ISG在这些细胞中的表达（图4F）。与PBMC中SARS-CoV-2 RNA阴性的细胞类型相比，ISG基因在这些病毒RNA阳性免疫细胞中表达升高。与BALF中相同类型的病毒RNA阴性免疫细胞相比，SARS-CoV-2 RNA阳性上皮细胞（包括纤毛，分泌和鳞状细胞）以及那些病毒RNA阳性中性粒细胞的ISG水平更高。
（6）SARS-CoV-2 RNA阳性和阴性上皮细胞之间的转录组差异及其对细胞相互作用的潜在影响。SARSCoV-2 RNA在不同上皮细胞中的存在似乎与其他转录组学改变有关。对于鳞状上皮细胞，SARS-COV-2RNA阳性细胞表现出多种基因如NT5E，CLCA4和SULT2B1的表达升高（图5A），这些基因富集作用为“对病毒的反应”，“对I型干扰素的反应”和“对缺氧的反应”等途径（图5B）。相比之下，SARS-CoV-2 RNA阳性和阴性纤毛上皮细胞之间的差异基因数量要少得多，几乎没有基因在所有三种上皮细胞类型中显示出一致的变化（图5C）。然后作者使用CSOmap进行不同细胞配受体相互作用的评估发现SARS-CoV-2 RNA阳性的纤毛，分泌和鳞状上皮细胞在重度和中度组之间显示出独特的相互作用（图5D）。
图 5 上皮细胞中新冠病毒的表现及上皮细胞的相互作用
（7）巨核细胞和单核细胞亚群是细胞因子风暴的关键外围来源。然后作者研究了细胞因子产生的潜在来源，发现七个细胞亚型，包括单核细胞的三种亚型（Mono_c1-CD14-CCL3，Mono_c2-CD14-HLADPB1和Mono_c3-CD14-VCAN），三种T细胞亚型（T_CD4_c08-GZMK-FOShigh，T_CD8_c06-TNF和T_CD8_c09-SLC4A10），和一种巨核细胞亚型具有明显更高的细胞因子和炎性评分，表明这些细胞可能是炎性风暴的主要来源。
图 7 不同细胞亚型的相互作用
（8）肺和外周血中高炎症细胞亚型的相互作用。细胞因子风暴可能会对肺造成免疫病理损伤，并且已在COVID-19患者的肺组织中证实了大量浸润性炎性免疫细胞。作者对BALF中所有细胞亚型中比较了炎症和细胞因子评分。在上皮细胞中未观察到细胞因子基因的富集，而在进展期的重症样品中，巨噬细胞和单核细胞的亚型具有最高的细胞因子和炎症评分（图7A）。此外确定了5种高炎症细胞亚型，包括Macro_c2-CCL3L1，单核细胞的3种亚型和中性粒细胞（图7B），表明这些细胞亚型可能是导致肺部炎症性风暴的主要来源组织。在BALF样本中未检测到CD4 +和CD8 + T细胞的炎症评分或细胞因子评分升高，这与PBMC中的不同。每个高炎症亚型都高度表达特定的细胞因子。例如，Macro_c2-CCL3L1具体表示CCL8，CXCL10 / 11和IL6。Mono_c1- CD14-CCL3是外周血和BALF中促炎细胞类型之一，特异性表达高水平的IL1B，CCL20，CXCL2，CXCL3，CCL3，CCL4，HBEGF和TNF。中性粒细胞还表达多种特异性的细胞因子，包括TNFSF13B，CXCL8，FTH1，CXCL16（图7C）。
原文链接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00148-3#secsectitle0010
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