《Cell》解读:看 scRNA-seq 与 RNAscope 技术如何阐释肠道干细胞与免疫细胞的相互作用

2019-06-18 16:46 来源:丁香园 作者:
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肠上皮具有极强的更新换代能力,这主要是依赖于肠道干细胞(ISC)的增殖和分化。肠道干细胞具有分化为各种肠上皮细胞的能力。肠道干细胞的自我更新和分化依赖于干细胞微环境。在以前的研究中,研究者们更多关注的是肠上皮细胞、非肠上皮细胞比如间质细胞的信号对肠道干细胞的增殖和分化的影响,但目前仍不清楚肠道中的免疫系统是否以及如何参与了对肠道干细胞的增殖和分化的影响。来自美国麻省理工学院-哈佛大学布罗德研究所(Broad Institute of Harvard and MIT)的 Moshe Biton 等在 2018 年 11 月的《Cell》上发表了题为「T Helper Cell Cytokines Modulate Intestinal Stem Cell Renewal and Differentiation」的文章,阐述了肠道干细胞与局部微环境中的 T 细胞的相互作用关系 [1]

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作者首先对单细胞 RNA 测序(scRNA-seq)数据进行分析,发现肠道干细胞可进一步分成 3 个亚类:相对静息状态的 ISC-I 和高增殖的 ISC-II、ISC-III。分析提示 ISC-I 更倾向干性状态而 ISC-II、ISC-III 则偏向于分化状态,而且 ISC-II 和 ISC-III 高表达 MHCII 抗原呈递分子。作者使用 RNAscope 多重荧光检测技术与免疫荧光技术在对上述结果进行了验证。

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Fig1. Validation of ISC subsets and their cell cycle status. RNAscope smFISH detection of pan stem cell marker Lgr5, ISC-I marker Cyp2e1 and ISC-III marker Psrc1 all in red and Mki67 in white. Cell borders were assessed with IF for E-cadherin  in green.

ISCs 表达的 MHCII 是否有意义呢?作者在体外共培养实验中,发现这些 ISC 可与 CD4+辅助性 T 细胞(Th)互作,并递呈抗原。通过使用肠道类器官,作者发现 Th1、Th2 和 Th17 及其细胞因子 IFNγ、IL13、IL17 等促炎信号可促进 Lgr5+ ISC 的分化,而调节性 T 细胞(Treg)及其细胞因子 IL-10 则促进 ISC 的自我更新;

接下来作者在体内研究了 MHCII 对于 ISCs 的自我更新和分化的影响。作者通过对 MHCII 条件性基因敲除小鼠 MHCIIGut 小鼠和对照小鼠的肠上皮细胞进行 scRNA,发现敲除鼠的 ISCs 的比例增加,其中 ISC-II 的比例相对更高一些。同时还发现敲除鼠的隐窝固有层中 Th 细胞减少。在另一种 MHCII 条件性基因敲除小鼠 MHCIIISC 小鼠中也发现了 LGR5+ ISCs 的增多。这些结果表明,MHCII 对 ISCs 的自我更新和分化有明显的作用。

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接下来作者使用沙门氏菌(Salmonella enterica)和多形螺旋线虫(Heligmosomoides polygyrus)两种经典模型,分别模拟小肠细胞对病原菌和寄生虫的反应,并利用 MHCII 条件性基因敲除小鼠(MHCIIGut 小鼠和 MHCIIISC 小鼠),研究不同感染时肠上皮细胞分化和重塑以及 MHCII 在其中发挥的作用。发现野生小鼠感染模型中,干性基因表达降低,而 MHCII 表达增加,而且 ISC 亚型发生转变,ISC-I 降低、ISC-II 和 ISC-III 增加。沙门氏菌会诱导 Th1 反应,增加 Paneth 细胞数量;而多形螺旋线虫则会引起 Tuft 细胞的扩增。

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在 MHCII 条件性基因敲除小鼠(MHCIIGut 小鼠和 MHCIIISC 小鼠)感染后,发现多形螺旋线虫感染的基因敲除小鼠中 Tuft 细胞几乎不扩增,而且 LGR5+ ISCs 数量也增加。这些结果说明 MHCII 对于病原菌和寄生虫感染状态下的 ISCs 的维持有重要作用。而在对敲除小鼠的免疫细胞进行 scRNA 分析后,作者还发现表达在肠上皮细胞上的 MHCII 分子对于肠道的免疫系统包括固有免疫和获得性免疫反应都有重要的影响,敲除上皮细胞的 MHCII 会扰乱粘膜免疫反应。

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最后作者在体内利用 Foxp3-DTR 小鼠研究了 Treg 细胞对于 LGR5+ ISCs 的影响。发现 Treg 缺失会引起成熟肠上皮细胞减少、LGR5+ ISCs 减少、ISC-II 和 ISC-III 的比例增加。

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作者根据以上结果总结了 ISCs 与 Th 细胞的相互作用。Treg 和其分泌的细胞因子 IL-10 能促进干细胞的自我更新;Th17 和其分泌的 IL-17a 则抑制干细胞的自我更新、促进其分化。Th1 和 Th2 以及其各自分泌的细胞因子也会抑制干细胞的自我更新,促进干细胞分别向 Paneth 细胞和 tuft 细胞分化。

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在本研究中,研究人员联合使用了单细胞 RNA 测序(scRNA-seq)、RNAscope 多重荧光检测技术、类器官培养、细菌感染模型、寄生虫感染模型和其他技术,揭示了 ISCs 与 Th 细胞的相互作用以及对于肠上皮细胞维持的影响。发现了一类表达 MHCII 的 ISCs 具有向辅助性 T 细胞呈递抗原的能力。不同类型的 T 细胞及其细胞因子则对 ISC 的分化和自我更新起不同作用,从而影响小鼠对肠道感染的抵抗力。本文是该课题组继 2017 年在《Nature》发表题为「A single-cell survey of the small intestinal epithelium」[2] 的文章后又一重要成果。这些发现为干细胞与免疫细胞间的互作提供了新机制。

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参考文献:

1. Biton, M.H., Adam L.; Rogel, Noga; Burgin, Grace; Beyaz, Semir; Schnell, Alexandra; Ashenberg, Orr; Su, Chien-Wen; Smillie, Christopher; Shekhar, Karthik; Chen, Zuojia; Wu, Chuan; Ordovas-Montanes, Jose; Alvarez, David; Herbst, Rebecca H.; Zhang, Mei; Tirosh, Itay; Dionne, Danielle; Nguyen, Lan T.; Xifaras, Michael E.; Shalek, Alex K.; von Andrian, Ulrich H.; Graham, Daniel B.; Rozenblatt-Rosen, Orit; Shi, Hai Ning; Kuchroo, Vijay; Yilmaz, Omer H.; Regev, Aviv; Xavier, Ramnik J., T Helper Cell Cytokines Modulate Intestinal Stem Cell Renewal and Differentiation. Cell, 2018.

2. Haber, A.L.B., M.; Rogel, N.; Herbst, R. H.; Shekhar, K.; Smillie, C.; Burgin, G.; Delorey, T. M.; Howitt, M. R.; Katz, Y.; Tirosh, I.; Beyaz, S.; Dionne, D.; Zhang, M.; Raychowdhury, R.; Garrett, W. S.; Rozenblatt-Rosen, O.; Shi, H. N.; Yilmaz, O.; Xavier, R. J.; Regev, A., A single-cell survey of the small intestinal epithelium. Nature, 2017. 551(7680): p. 333-339.

编辑: 邓颖琳

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