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整合单细胞和空间转录组分析揭示慢性小鼠大脑中小胶质细胞-浆细胞相互串音锥虫属brucei感染

Juan F. Quintana, Praveena Chandrasegaran,马修·c·辛顿艾玛·布里格斯Thomas D. Otto, Rhiannon Heslop, Calum Bentley-Abbot,科林•寂寞芳心Luis de Lecea尼尔·a·Mabbott安妮特•麦克劳德

预印本发布于2022年3月28日https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.03.25.485502v2.full

位置很重要!导航锥虫属brucei老鼠大脑的感染

选择 杰西卡舍瓦

背景

单细胞RNA-seq (scRNA-seq)允许研究人员在单细胞水平上对整个转录组进行测序。该方法已证明有用的发现罕见的细胞类型和跟踪不同的细胞系的发展。然而,scRNA-seq的一个主要缺点是使用孤立的细胞,这导致空间信息的损失。最近,scRNA-seq方法已经与空间转录组学方法结合使用,以单细胞分辨率绘制组织切片中的空间细胞类型。

在这项研究中,Juan F. Quintanaet al。整合scRNA-seq和空间转录组学来研究小鼠大脑在慢性反应中的转录反应锥虫属brucei感染后25天(dpi)和45dpi。t . brucei是一种原生动物寄生虫,导致非洲人类锥虫病(HAT),又称昏睡病。如果不及时治疗,t . brucei会在宿主的中枢神经系统(CNS)定植,导致神经炎症和随后的死亡。以前的研究已经确定了感染后适应性免疫细胞的浸润,然而,免疫细胞的转录反应t . brucei感染在很大程度上仍未被探索。

重要发现

心室周器官的开发(CVOs)感染

在所有生物复制的单细胞转录组研究中确定了8种细胞类型,包括小胶质细胞、少突胶质细胞、B细胞、星形胶质细胞、T细胞、内皮细胞、周细胞和室管膜细胞。小胶质细胞、B细胞和T细胞簇内的细胞在疾病和野生型状态中分布有差异。作者还发现,炎症介质的整体表达水平,表明感染后的反应,主要在小胶质细胞簇中观察到25dpi和45dpi。

空间转录组研究结果显示,大部分t . brucei基因在小鼠前脑的特定位置(如丘脑、海马体、大脑皮层和CVOs)高度表达。事实上,寄生在45dpi的位置与CVOs相关空间区域炎症介质的表达增加部分重合。为了进一步了解CVOs在感染过程中的重要性,作者进行了基因本体论和通路分析。结果表明,位于CVOs或CVOs附近的寄生虫具有代谢活性,并表达与寄生虫分化相关的基因(即寄生虫的细长和矮胖形式)。

感染相关的小胶质细胞占据空间龛位

作者的下一步研究是确定小胶质细胞簇、炎症反应增加和前脑寄生虫分布之间是否存在相关性。亚聚类小胶质细胞簇和执行差异基因表达显示六个不同的亚聚类。三个集群,标识为Cx3cr1+小胶质细胞1和2Cd14+作者发现,单核细胞约占感染小鼠小胶质细胞的75%。与未感染对照组相比,这三个簇中高表达的基因在25dpi和45dpi的海马和CVOs周围空间表达。综上所述,作者证明在CVOs附近检测到三个与感染相关的小胶质细胞亚群,这与CVOs的空间分布一致t . brucei。

感染期间免疫细胞异质性

将之前识别的T细胞簇进行亚聚,可以识别出三个不同的T细胞亚簇:Cd8+1 T细胞,Cd8+2个T细胞Cd4+T细胞。集群2 (Cd8+2 T细胞)仅在感染样本中被识别,作者认为这可能表明在大脑中存在疾病相关的T细胞亚群。有趣的是,簇3中的细胞类似于卵泡样调节Cd4+T细胞在感染期间还没有在大脑中被记录下来。

作者还将先前鉴定的B细胞进行了亚聚类,并发现了一种他们称之为浆细胞特异性聚类的细胞Cd138+浆细胞。这些细胞在感染过程中富集。事实上,Cd138+在未感染的小鼠中,浆细胞局限于CVOs周围,但它们在25dpi时分布到侧脑室,在45dpi时分布到扣带皮层,表明原始浆细胞数量增加。额外的实验表明Cx3cr1+小胶质细胞正在与Cd138+通过IL-10受体和B细胞激活因子(BAFF)。两种细胞之间的功能相互作用促进了浆细胞的存活t . brucei感染。

WhY表示这项工作很重要

细胞不是单独行动的;它们直接受到周围环境的影响。scRNA-seq和空间转录组学是互补的技术,可用于进一步了解组织内的细胞如何在健康和疾病的时空尺度上相互作用。这一预印本为我们提供了宝贵的见解,以了解空间细胞异质性如何在协调中枢神经系统的定植中发挥关键作用t . brucei昏睡病引起昏睡病的寄生虫Juan F. Quintana和他的团队所做的工作清楚地表明,需要生成一个“细胞图谱”,对细胞类型和位置进行分类,以阐明它们在疾病中的作用。

对作者的提问

  1. 您提到您的scRNA-seq分析主要集中在下丘脑,因为下丘脑在控制昼夜节律行为方面发挥着作用。你检查过25dpi和45dpi时生物钟基因表达的变化吗?
  2. 你的研究可以用来了解如何t . brucei可能操纵宿主的防御机制以确保生存?
  3. 如果你在B细胞缺陷的老鼠身上重复这个实验,你认为会出现哪些相似点和不同点?

发布日期:2022年4月14日,更新日期:2022年4月19日

doi:https://doi.org/10.1242/prelights.31795

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作者的回应

作者团队分享

1)您提到您的scRNA-seq分析主要集中在下丘脑,因为下丘脑在控制昼夜节律行为中的作用。你检查过25dpi和45dpi时生物钟基因表达的变化吗?

这是一个有趣的问题,也是一个关键的问题。简而言之,没有,我们没有专门研究昼夜节律基因。这是因为我们没有在24小时内的不同时间点收集样本,从而对昼夜节律基因表达做出有意义的推断。我们目前正在努力更详细地解决这个问题。然而,我们确实注意到典型昼夜节律基因的异常基因表达模式;例如,Nr1d1(也被称为Rev-erba)和Per3炎症、感染相关小胶质细胞显著下调。这只是感染期间小胶质细胞中可能发生的潜在昼夜节律相关过程的一个先睹为。我们的工作假设是,这些基因中的一些抵消了炎症表型的获得,因此必须下调,以允许进展到疾病相关的状态。

2)你的研究可以用来了解如何t . brucei可能操纵宿主的防御机制以确保生存?

我们认为寄生虫的生存是相当复杂的,可能是由多种因素决定的在活的有机体内.也许,介导寄生虫生存的最明显的宿主反应是抗体的产生。在这方面,我们的研究中一个有趣的观察是居住在大脑中的B细胞的动态。我们从Stefan Magez教授、Carl De trez教授和Magdalena Radwanska教授的实验室之前进行的(非常优雅的)工作中知道,非洲锥虫破坏了脾脏和骨髓中的B细胞室,包括CD138+在NK细胞参与的过程中。这在全球范围内的特点是B细胞的逐渐丧失,这使得动物无法产生足够的抗体反应来对抗随后的感染。然而,在大脑中没有观察到这种模式,我们看到B细胞在感染过程中积累和/或扩张。这导致我们重新思考器官特异性免疫反应,并可能表明大脑有自己的免疫细胞来源,独立于外周来源(例如,脾脏或骨髓)。这是我们的工作假设之一,我们目前正在研究这些居住在大脑中的B细胞的潜在来源,以及它们在慢性感染中的脑病理学中的作用。

3)如果重复使用B细胞缺陷小鼠进行实验,您认为会出现哪些相似和不同之处?

这个问题很重要!-我们实验室和其他实验室之前的工作表明,B细胞在控制中是必不可少的t . brucei感染。缺乏B细胞(也被称为mu MT)的小鼠在中枢神经系统阶段开始前就会被感染,这混淆了与脑病理学相关的其他解释。目前,我们正在通过在B细胞中特异性删除几个关键基因,来测试它们在大脑病理学中的作用。到目前为止,我们的数据表明其他免疫细胞(如T细胞)可能存在补偿机制,我们正在努力梳理这些不同的基因是如何促进大脑病理和控制感染的。

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