2023-02-09
單細胞空間數據分析
VDJ與腫瘤 新年伊始，剛上班的你是不是還有假期綜合征？但是很多研究者很早就投入了科學研究，不得不令人佩服其科研精神。再回到單細胞空間的研究領域，新的動態也層出不窮，10Xgenomics最近也推出了Xenium---空間原位分子轉錄組技術，推動其空間研究達到亞細胞級，國內的空間技術也呈現出追趕狀態，可以預見對于組織結構的三維認知將是未來研究的重要課題。 目前(qian)而(er)言，單(dan)(dan)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)空(kong)間技術(shu)(shu)已經涵蓋(gai)到單(dan)(dan)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)轉(zhuan)(zhuan)錄(lu)組(zu)(zu)、單(dan)(dan)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)VDJ、空(kong)間轉(zhuan)(zhuan)錄(lu)組(zu)(zu)、空(kong)間VDJ，空(kong)間原位等，對于(yu)轉(zhuan)(zhuan)錄(lu)組(zu)(zu)方(fang)面(mian)的(de)(de)研(yan)究(jiu)已經非常成(cheng)熟，也是目前(qian)單(dan)(dan)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)空(kong)間發表文(wen)章涉及到的(de)(de)主(zhu)要技術(shu)(shu)；相較于(yu)轉(zhuan)(zhuan)錄(lu)組(zu)(zu)，VDJ方(fang)面(mian)的(de)(de)認知仍然存在很大的(de)(de)空(kong)白，無論是單(dan)(dan)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)還(huan)是空(kong)間層(ceng)面(mian)，VDJ研(yan)究(jiu)的(de)(de)重(zhong)要性(xing)不言而(er)喻(yu)，免疫作為生(sheng)物(wu)學研(yan)究(jiu)的(de)(de)一個(ge)重(zhong)要分支，借助(zhu)單(dan)(dan)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)空(kong)間技術(shu)(shu)推動免疫學方(fang)面(mian)的(de)(de)進展仍然具有很大的(de)(de)前(qian)進空(kong)間，而(er)對于(yu)免疫學方(fang)面(mian)的(de)(de)研(yan)究(jiu)，國內張澤民團隊做的(de)(de)最(zui)好，那么(me)就(jiu)以此為契(qi)機，總(zong)結目前(qian)VDJ的(de)(de)主(zhu)流研(yan)究(jiu)方(fang)法，開啟新(xin)的(de)(de)一年。 手段一、VDJ的豐度差異 這是最容易想到的分析手段，豐度差異分為兩種，一種是VDJ的種類發生了變化，通常在疾病組VDJ多樣性高于對照組；另一種是數量上的變化，為了殺滅異常細胞可能富集了具有針對性的VDJ組合，從而導致該VDJ類型的豐度增加。例如在腫瘤研究中，免疫細胞為了殺滅腫瘤細胞，必然會富集對腫瘤細胞有殺滅作用的VDJ序列，那么通過對比對照和疾病組的VDJ豐度差異，有助于認知甚至治療腫瘤，如下圖[1]： 圖1 不(bu)同病(bing)人之間的VDJ基因(yin)的豐度差異 對(dui)于(yu)VDJ基因多樣性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)分析可以從以下(xia)幾個(ge)角度來考慮：（1）比(bi)較(jiao)對(dui)照和(he)疾病組(zu)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)VDJ差異，借此分析富集到的(de)(de)(de)(de)VDJ基因或組(zu)合(he)的(de)(de)(de)(de)生物學作用；（2）比(bi)較(jiao)相同(tong)疾病不同(tong)病人之間(jian)的(de)(de)(de)(de)VDJ基因豐(feng)度差異，借此研究(jiu)疾病反應(ying)的(de)(de)(de)(de)異質性(xing)(xing)；(3)研究(jiu)不同(tong)階段，或者用藥前后(hou)的(de)(de)(de)(de)免疫(yi)變化，結合(he)克隆豐(feng)度變化的(de)(de)(de)(de)motif研究(jiu)，有助于(yu)指導臨(lin)床研究(jiu)。 圖2 克隆擴增的motif分析 手段二：克隆共享 對于腫瘤研究而言，血液、癌旁和腫瘤內部的空間相對位置信息涵蓋了免疫細胞系統對腫瘤發生的整體反應。對于腫瘤細胞的浸潤性克隆，其在血液和癌旁中的分布與豐度變化也是探索免疫抑制的重要手段，如下圖[2]： 圖3 不同組織部位的VDJ組合分布 克隆(long)共享的(de)(de)分析手段最(zui)終的(de)(de)目(mu)的(de)(de)在(zai)于(yu)尋找(zhao)靶向VDJ序列、進而研(yan)究(jiu)相對應的(de)(de)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)類型(xing)，刻畫T細(xi)(xi)胞(bao)(bao)功能亞群、各(ge)亞群的(de)(de)組織分布特(te)征及(ji)亞群間的(de)(de)狀態(tai)轉換關系等免(mian)疫特(te)征。同時(shi)，基于(yu)T細(xi)(xi)胞(bao)(bao)的(de)(de)轉錄組數據及(ji)T細(xi)(xi)胞(bao)(bao)受體（TCR）序列，研(yan)究(jiu)浸潤性免(mian)疫細(xi)(xi)胞(bao)(bao)的(de)(de)遷移屬(shu)性，為臨床研(yan)究(jiu)提供借鑒。研(yan)究(jiu)具有非常大的(de)(de)價值(zhi)，但(dan)是(shi)取樣要求比(bi)較(jiao)高。 圖4 皮膚與血液中的克隆共享 手段三：VDJ的時間軌跡變化 疾病在演化的過程中，T細胞針對疾病的發生也在進行相應的演化，最近的很多研究都在依靠免疫細胞的軌跡發生來研究其帶來的VDJ克隆變化，這是一個雙向的過程，這對于研究疾病發生和個人反應具有重要的意義，如下圖[3]： 圖5 克隆軌跡 克隆(long)軌(gui)跡的(de)特點體現了組織的(de)選擇性結(jie)果，保留了具(ju)有效應(ying)的(de)免疫(yi)細(xi)胞(bao)，TCR克隆(long)信息和(he)偽時序分(fen)(fen)析來解析了不同亞型(xing)T細(xi)胞(bao)之間的(de)細(xi)胞(bao)狀態轉換，闡明了復雜(za)的(de)免疫(yi)細(xi)胞(bao)分(fen)(fen)化過程以及識別(bie)不同免疫(yi)細(xi)胞(bao)的(de)耗竭軌(gui)跡，VDJ + 軌(gui)跡分(fen)(fen)析已經(jing)成為了VDJ研(yan)究的(de)主流手(shou)段(duan)。 圖6 免疫細胞的轉錄和VDJ時間動態 手段四：空間VDJ 組織(zhi)的(de)三(san)維結構信息目(mu)前仍(reng)(reng)在不斷的(de)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)之中，尤其(qi)是組織(zhi)結構空(kong)(kong)間(jian)的(de)動態變化的(de)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)仍(reng)(reng)然存在很大的(de)空(kong)(kong)白，免疫(yi)細胞的(de)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)專門成立了一門學科---免疫(yi)學，可見其(qi)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)的(de)難度。但是對于疾病而言空(kong)(kong)間(jian)克隆型的(de)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)價值仍(reng)(reng)然吸引(yin)著前仆后繼的(de)工作者。 圖7 空間IGH分布 在文章[4]中空間BCR的分布解釋了三級淋巴結構中B細胞成熟亞型和PC的共定位暗示了原位B細胞適應免疫而產生，在這種過程中，B細胞發生了突變細胞受體序列，并選擇和擴展大多數克隆。其研究的主要價值體現在B細胞的超突變的部位以及遷移狀況，是預后良好的主要生物學特征 ·寫在后面 利用單(dan)細(xi)胞空(kong)間(jian)(jian)技(ji)術研究(jiu)免(mian)(mian)疫細(xi)胞的(de)狀態變化(hua)以(yi)及VDJ的(de)環境選(xuan)擇仍然是一(yi)(yi)項(xiang)重要的(de)研究(jiu)課題，目前大量的(de)精力都投入到了單(dan)細(xi)胞空(kong)間(jian)(jian)的(de)轉(zhuan)錄(lu)組(zu)研究(jiu)之中，免(mian)(mian)疫相關(guan)的(de)研究(jiu)略顯不足，希望借助單(dan)細(xi)胞空(kong)間(jian)(jian)的(de)力量進(jin)一(yi)(yi)步擴展對免(mian)(mian)疫的(de)認知，為臨(lin)床疾病的(de)治療提供(gong)更多的(de)參(can)考依據，真(zhen)正做(zuo)到免(mian)(mian)疫學研究(jiu)的(de)時空(kong)動態。
參考文獻： [1]Ma J , Tibbitt C , Georen S , et al. Single-cell analysis pinpoints distinct populations of cytotoxic CD4 T cells and an IL-10+CD109+Th2 cell population in nasal polyps. Science Immunology. 2021(6):94. [2]Guo, X. , Zhang, Y. , Zheng, L. , Zheng, C. , & Zhang, Z. . (2018). Global characterization of t cells in non-small-cell lung cancer by single-cell sequencing. Nature Medicine, 24(7). [3]Sun, K. , Xu, R. , Ma, F. , Yang, N. , Li, Y. , & Sun, X. , et al. Scrna-seq of gastric tumor shows complex intercellular interaction with an alternative t cell exhaustion trajectory. Nature Communications. [4]Maxime Meylan, Florent Petitprez, et al. Tertiary lymphoid structures generate and propagate anti-tumor antibody-producing plasma cells in renal cell cancer. Immunity.
