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技术前沿
强强联合 | 转录组分析揭示新冠无症状感染者与复阳病人不同的免疫反应
来源: | 作者:geneseed | 发布时间: 2021-10-11 | 76 次浏览 | 分享到:

近日,吉赛生物测序团队参与广州中医药大学顺德医院徐建华教授团队新冠攻关专项研究,完成了对不同新冠感染者的外周血单个核细胞(PBMC)转录组的研究,揭示了新冠无症状感染者与复阳病人具有不同的免疫反应。该研究被发表在了 Frontiers in Immunology 上。



文章简介


本文首先比较全面地收集了一些新冠病人样品的 PBMCs 进行转录组 mRNA 测序, 包括 8 例无症状感染者、13 例有症状感染者、15 例新冠恢复者和 12 例复阳患者;另外还包含 22 例正常样品的 PBMCs 。一系列经典的生信分析揭示了新冠感染引起了不同的免疫抵抗:


•首先,通过加权基因共表达网络分析(WGCNA)识别了到了 6 个与新冠表型密切相关的共表达模块,并富集到了免疫相关的 GO 功能


•另一方面,单样品基因集富集分析(ssGSEA)显示相对于有症状感染者有干扰素反应(interferon response)和补体激活(complement activation),无症状感染者干扰素水平较低,显示出较弱的免疫反应


•除此之外,基因集富集分析(GSEA)显示相对于感染后恢复的个体,复阳病人转录组主要富集到了 TNFα/NF-κB 以及流感感染( influenza infection)通路,表现出高炎性免疫反应。


补充

PBMC:peripheral blood mononuclear cells,外周血单个核细胞,主要包括淋巴细胞和单核细胞(monocyte)—— 两者都属于白细胞


干扰素反应:interferon(IFN) response,干扰素是由宿主细胞释放的一些信号蛋白以应对一些病毒的出现


补体激活:complement activation,complement system 也被称为 complement cascade,是免疫系统的一部分,主要用于提高或补充抗体和吞噬细胞清除机体内微生物和受损细胞的能力,促进炎症,攻击病原体的细胞膜

 —— wikipedia


总的来说,这些研究有助于我们对新冠感染进展过程中宿主免疫反应的理解,同时能够帮助新冠病人在临床上的管理,甚至能够启发开发相关免疫治疗的策略。


病人类型


根据国家卫生健康委员会【新冠肺炎疫情防控方案 [第6版]】


•无症状感染者

指自身或临床没有可识别的感染症状但被诊断为感染的患者。


根据【新冠肺炎诊疗指南 [第7版]】


•有症状感染者

 指有明显临床症状的感染者;


•新冠恢复的个体

 指符合出院标准的病人;


•复阳病人

 指符合出院标准的病人在随访期内(2周 ~ 1个月)新冠检测呈阳性。


主要结果解读


不同疾病状态具有不同的免疫细胞浓度

Table 1 展示了不同疾病状态样品的临床特征


图 1


图1 表明有症状患者的淋巴球(leukocytes)与白血球(lymphocytes)明显低于正常人,该结果与之前新英格兰杂志钟南山团队研究结果[1]一致;同时,嗜酸性粒细胞(eosinophils)以及嗜碱性粒细胞(basophils)数量也显著较低。


另外,无症状感染者的相应指标都比有症状患者高(虽然样品太少,统计显著性都不明显)。


同时值得关注的是,单核细胞(monocytes)在复阳患者中少于恢复的个体。


基因共表达模块的识别与疾病状态的关联


图 2


为了找到新冠不同状态下关键的模块与 hub 基因,作者对 70 个样品开展了 WGCNA 分析,识别到了一些与疾病状态密切关联的模块(图2)。


图 3


接着,作者对其中四个模块进行了 GO 功能富集分析,并可视化了模块内最紧密连接的前 40 个基因(图3 )。比较有意思的是红色模块主要富集了体液免疫相关的基因,而这一模块仅与有症状表型有显著正相关性,而与无症状表型没有显著相关性。这一结果提示有症状患者的体液免疫被激活,反应水平高于无症状患者。


不同疾病状态显示出不同的免疫反应

IFN response : interferon response

RP:re-detectable positive


图 4


作者首先收集了 24 个免疫相关的数据集(ImmPort 17 个,MisigDB 7 个)—— 代表不同的免疫功能与通路,接着用 ssGSEA 对每个样品在这些基因集合的富集程度进行了量化。


如图4 所示,新冠患者多个免疫相关的功能都发生了失调,从图中我们可以发现


• 干扰素反应(interferon response)在不同状态下发生了不同程度的失调


• 复阳患者具有比正常人更高的细胞毒性(Natural Killer Cell Cytotoxicity)以及抗原加工与呈递(Antigen Processing and Presentation)活性,这可能显示了免疫系统的复苏


• 与抗原加工/呈递相匹配,细胞因子、趋化因子和白介素表现出一致的水平


• 有症状感染者中细胞因子低表达与之前的报道一致[2],表明血清细胞因子升高主要来自局部感染部位而不是外周血


• 复阳患者中细胞因子、趋化因子和白介素比其他组有更高的水平,说明RP病人的 PBMC 具有较强的炎性反应


图 5


为了进一步比较,作者用 KEGG / Reactome / Biocarta 以及 Hallmarks of MSigDB 对以下配对组


• 无症状 vs 有症状

• RP vs 恢复

• RP vs 健康


进行了 GSEA 分析(如图 5)


从图 A 显示,无症状患者干扰素反应(IFN response)以及补体激活(Creation of C4 and C2 activators)下调,显示PBMC 较弱的免疫反应;图 B / E 显示,与恢复个体相比,TNFα/NF-κB 以及流感感染活性(influenza infection activity)在复阳中富集;而与正常个体相比(图 C / F),TNFα/NF-κB 以及炎性反应活性在复阳中富集。总之,所有结果都表明了复阳患者的 PBMC 具有高炎性和流感样免疫反应。


文章结论与讨论


该文重复整合了临床信息以及 mRNA 数据,对新冠感染的不同状态所表现的功能紊乱进行了比较全面的分析和阐述,特别是新观察到无症状感染者以及复阳患者出现了独特的免疫反应,对新冠进展的临床管理和新冠治疗开发有一定的指导意义。


文章也指出该研究仍存在局限性,主要包括


•该研究仅开展了 PBMC 的 mRNA-seq ,如果加入病变部位例如肺、气管肺泡灌洗液的免疫细胞可能使结果更全面更具说服力


•为了统一以及平衡不同组间的比较,PBMC 采样点都在入院 4 天内完成,不同时间梯度的样品也许能够帮助发现免疫反应与疾病指标的因果关系


参考文献

Zhang J, Lin D, Li K, et al. Transcriptome Analysis of Peripheral Blood Mononuclear Cells Reveals Distinct Immune Response in Asymptomatic and Re-Detectable Positive COVID-19 Patients[J]. Frontiers in Immunology, 2021: 3109.


[1] Guan W, Ni Z, Hu Y, et al. Clinical characteristics of coronavirus disease 2019 in China[J]. New England journal of medicine, 2020, 382(18): 1708-1720.


[2] Xiong Y, Liu Y, Cao L, et al. Transcriptomic characteristics of bronchoalveolar lavage fluid and peripheral blood mononuclear cells in COVID-19 patients[J]. Emerging microbes & infections, 2020, 9(1): 761-770.