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Immunity:单细胞染色质可读性图谱分析揭示调节性T细胞参与组织修复的分子机制

众所周知,组织中的调节性T细胞(Treg)对于促进组织稳态和再生具有重要作用。在最近一项研究中,来自德国雷根斯堡大学再生医学中心的Markus Feuerer及其团队揭示了健康组织中具有上述功能的Treg细胞的特征。通过研究鼠和人来源的组织特异性Treg细胞的单细胞染色质可阅读性(accessibility),从而定义了一个保守的,不依赖微生物群的组织修复性Treg标记,其中最主要的特征是转录因子BATF的表达活性。通过与基因表达谱分析和TCR命运图谱相结合,研究者们在人外周血中鉴定出一群表达BATF,趋化因子受体CCR8和HLA-DR的组织特异性Treg细胞。此外,正常皮肤和脂肪组织中的BATF + CCR8 + Treg细胞与非淋巴T滤泡辅助样(Tfh-like)细胞具有相同的特征。之后,作者发现通过诱导未激活状态下人Treg细胞向Tfh方向分化,能够部分重现组织特异性Treg的修复特征,包括伤口愈合潜力。由于来自健康组织的人BATF + CCR8 + Treg细胞与驻留于肿瘤组织内部的Treg细胞具有共同的特征,突出了理解这些细胞的背景特异性功能对于癌症免疫治疗的重要性。


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(图片来源:www.cell.com)

首先,作者使用荧光激活细胞分选技术(FACS)从小鼠脾脏,肺,结肠,皮肤等组织中分离纯化CD4 + T细胞,然后使用单细胞水平测序(scATAC-seq)测定能够被转座酶所接触的染色质区域。总共产生了超过26,000个CD4 + T细胞的scATAC谱图,每个细胞具有约18,000至约35,000个独特的片段。为了识别种群特征,作者进行了相应的聚类分析并对其进行了颜色编码,并且使用谱系定义具有不同基因可阅读性的细胞组成。例如,Treg细胞的主要转录因子Foxp3在脾,皮肤以及结肠等组织来源的Treg簇中得到了鉴定。与Foxp3相比,II2基因簇仅在特定组织来源的CD4 + Foxp3- T-常规(Tconv)细胞中被发现,例如结肠,皮肤等。编码CD62L(Sell)的基因簇被用于鉴定未激活(Naive)T细胞簇。编码Th1相关转录因子T-bet的Tbx21基因簇和Ifng基因簇仅在来自皮肤或结肠等组织中的效应CD4 + T细胞中可以被阅读。

具备组织修复特性的Treg前体细胞从淋巴器官开始,分两步进行分化。通过绘制组织特异性Treg前体细胞的早期阶段(PD1 + Klrg1-)和晚期阶段(PD1 + Klrg1 +)的批量ATAC-seq签名时,在脾脏中很容易可以检测到前体细胞,而在组织则无法检测到相关标记,突出了这些标记的特异性。


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(小鼠脾脏与组织Treg单细胞ATAT组学分析)


此前研究表明,肠道微生物群会影响结肠中的Treg细胞功能,但是微生物群对组织特异性Treg前体细胞的影响尚不清楚。为此,作者重点分析了所有结肠来源的Treg基因簇可阅读性特征。研究结果表明:结肠Treg存在两个不同亚群,其中一类 Foxp3和Klrg1基因活性受到抑制,而另外一群中Klrg1和Foxp3基因簇均具有较高的可阅读性。为了研究肠道微生物对Treg基因可阅读性的影响,作者同时采集了无菌小鼠(GF)来源的各组织Treg细胞并进行了基因组可阅读性分析。结果表明,即使在无菌小鼠中,Treg的组织修复相关的基因可阅读性依然能够被打开,表明Treg的组织修复机制的分化并不依赖于肠道菌群的影响。

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(组织特异性Treg基因簇可阅读性不受肠道微生物的影响)


进一步,作者对血液系统的循环Treg细胞以及组织驻留的Treg的基因组可阅读性进行了分别分析。结果表明,对于记忆Treg细胞而言,不同部位的亚群基因表达差异数量达到了11000个,而对于天然Treg细胞而言,这一数字也在5500-7000之间。

基于对小鼠来源的Treg细胞的分析,作者将这一方法进一步应用于人源Treg细胞的分类中。研究表明,人源Treg细胞相比小鼠来源的Treg具有12236个不同的表达峰。通过比较,作者最终挑选出了643个在人与鼠Treg细胞中均有相同表达特征的基因簇,其中包括趋化因子受体(CCR2, CCR5, CCR6, CCR8),TNF受体超家族(TNFRSF8, TNFRSF9)以及转录因子(GATA3, TOX, BACH2, BATF)。

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(人源CD4+ T细胞ATAC组学分析揭示其与小鼠来源单细胞基因簇可阅读性具有一定程度的保守性)

最后,为了验证Treg细胞的组织修复特性,作者进行了体外的诱导实验。通过模拟Tfh诱导机制对Treg进行体外刺激,能够加快其分泌促进组织修复的相关因子,该结果或许在体内具有相似的体现。此外,由于CCR8+ Treg细胞在正常组织中以及在肿瘤组织中具有一定的相似性,作者对其基因簇的可阅读性进行了进一步的分析,结果表明,其确实存在一定程度的重叠,例如转录因子BCL6 以及BATF。

综上,该研究首次对组织特异性Treg细胞进行了单细胞染色质可阅读性水平的分析,并鉴定出了具有组织修复特征的组织特异性Treg细胞的基因表达特征以及诱导机制。该研究对于促进机体组织修复以及提高癌症免疫治疗的效果具有重要的意义。

原始出处:Michael Delacher, Malte Simon, Lieke Sanderink et al., Single-cell chromatin accessibility landscape identifies tissue repair program in human regulatory T cells. Immunity (2021).DOI:https://doi.org/10.1016/j.immuni.2021.03.007


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