人银屑病皮肤的单细胞转录区划识别出由皮肤常驻细胞执行的替代性免疫调节轴

Single cell transcriptional zonation of human psoriasis skin identifies an alternative immunoregulatory axis conducted by skin resident cells.

作者信息Yuge Gao, Xinyu Yao, Yumeng Zhai, Li Li, Huini Li, Xianqi Sun, Pei Yu, Tiankuo Xue, Yuzhen Li, Yizhou Hu
PMID33958582
发布时间2021-05-06
DOI10.1038/s41419-021-03724-6

实验完整度

高

包含单细胞转录组测序、神经网络分类器验证、患者活检组织免疫组化/免疫荧光验证、原代细胞TNF-α刺激及ELISA、DC功能实验等多层级证据,且有功能验证和机制验证。

主要模型

人全层皮肤单细胞转录组(健康供体和寻常型银屑病患者) 患者皮肤活检组织(免疫组化/免疫荧光) 原代人皮肤角质形成细胞和成纤维细胞 小鼠骨髓来源树突状细胞

重点核对

单细胞测序样本:3例健康供体和3例银屑病患者全层皮肤,细胞活性>90% HLA-C*06:02基因分型:患者样本中检测到该等位基因(PCR-SSP) TNF-α刺激条件:重组人TNF-α处理原代成纤维细胞和角质形成细胞12小时 IL-17B处理DC条件:500 ng/mL重组人IL-17B处理24小时,LPS(10 ng/mL)作为阳性对照 统计方法:Student's t检验,数据以均值±SEM表示

摘要

银屑病是成人中最常见的皮肤病。目前的实验和临床证据表明,浸润的免疫细胞可以靶向局部皮肤细胞,从而诱导银屑病表型。然而,最近的研究表明,局部皮肤常驻细胞对浸润免疫细胞存在潜在反馈信号回路。在这里,我们在单细胞转录水平上解构了健康供体和寻常型银屑病患者的全层人皮肤,并进一步构建了一个神经网络分类器来评估小鼠和人之间皮肤细胞类型的进化保守性。最后,我们系统地评估了健康和银屑病皮肤之间每种细胞类型的内在和细胞间分子变化。与银屑病易感基因位点、基于细胞类型的差异表达以及配体-受体通讯进行交叉验证,揭示了常驻银屑病皮肤细胞,包括间充质和表皮细胞类型,其特异性地含有银屑病易感位点的靶基因,强烈地引发主要组织相容性复合体(MHC)基因的表达,上调干扰素(IFN)、肿瘤坏死因子(TNF)信号传导,并增加细胞因子基因表达,主要针对银屑病中邻近的树突状细胞。对银屑病患者活检组织的全面探索和病理观察提出了一个从皮肤局部常驻细胞到免疫细胞的未发现的免疫调节轴,从而为银屑病治疗提供了新的见解。此外,我们发布了一个用户友好的网站,展示健康和银屑病人类皮肤中每种细胞类型的转录变化。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
在银屑病中,皮肤常驻细胞(表皮和间充质细胞)是否以及如何通过分子信号调节邻近免疫细胞(如树突状细胞),从而构成新的免疫调节轴?
核心机制
银屑病中,皮肤常驻细胞(表皮基底细胞、毛囊样细胞、间充质细胞等)通过上调MHC分子(如HLA-DRA、HLA-C)和分泌细胞因子(如IL-17B、IL-6、LIF等),激活邻近的树突状细胞,形成从常驻细胞到免疫细胞的免疫调节轴。
主要证据
单细胞RNA测序显示常驻细胞上调MHC和细胞因子基因;配体-受体分析预测常驻细胞与DC1的相互作用;免疫组化/免疫荧光证实银屑病真皮中IL-17B蛋白上调;TNF-α刺激原代细胞后IL-17B分泌增加;IL-17B处理DC上调CD80/CD86表达。
研究意义
研究首次系统揭示了皮肤常驻细胞在银屑病中的免疫调节作用,提出了新的免疫调节轴,为银屑病治疗提供了潜在的新靶点。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

单细胞转录组图谱构建

解析健康和银屑病全层皮肤中各种细胞类型的转录特征和组成

收集3例健康供体和3例银屑病患者全层皮肤,进行单细胞RNA测序,获得24259个细胞,聚类为5个主要簇和35个亚型。

2

细胞类型注释与进化保守性分析

验证细胞类型分类的准确性,并评估人小鼠皮肤细胞类型的进化保守性

利用神经网络分类器(vanilla neural network)对自身数据和已发表的人/鼠皮肤scRNAseq数据进行细胞类型预测,通过雷达图展示相似性。

3

银屑病易感基因位点分析

确定银屑病易感基因位点在不同皮肤细胞类型中的分布,识别易感细胞靶标

收集45个银屑病易感位点及其靶基因,与35个细胞类型的标记基因交叉,发现32个位点在不同细胞类型中差异表达。

4

差异表达和GO富集分析

鉴定银屑病中每种细胞类型的差异表达基因及其功能富集

比较健康和银屑病皮肤各细胞类型基因表达,对上调基因进行GO生物过程富集。

5

配体-受体相互作用分析

预测银屑病皮肤中细胞间通讯,特别是常驻细胞到免疫细胞的信号

利用上调配体基因和恒定/上调受体基因进行配体-受体分析,用弦图和桑基图可视化。

6

组织病理学验证

验证转录组发现的关键蛋白在患者组织中的表达变化

对健康(n=6)和银屑病(n=10)皮肤活检组织进行免疫组化和免疫荧光染色,定量PDGFRB和IL-17B蛋白。

7

原代细胞刺激实验

验证TNF-α是否诱导皮肤常驻细胞分泌炎性细胞因子

分离原代角质形成细胞和成纤维细胞,用TNF-α刺激12小时,ELISA检测分泌的细胞因子。

8

DC功能实验

验证IL-17B对树突状细胞活化的影响

从小鼠骨髓诱导DC,用IL-17B处理24小时,流式检测CD80、CD86等表面标志。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

样本处理与单细胞分离
单细胞转录组测序
细胞类型分类与验证
差异表达与功能富集分析
细胞通讯分析
组织病理学验证
DC功能验证

产品清单

实验环节名称品牌货号
Chromium单细胞3'试剂盒10X Genomicsversion
NovaSeq 6000Illumina--
Cell Ranger10X Genomicsversion
人全层皮肤解离试剂盒Miltenyi Biotec--
gentleMacs解离器Miltenyi Biotec--
抗PDGFRB抗体ImmunowayYT3639
抗IL-17B抗体Biossbs-2609R
HRP标记山羊抗兔IgGImmunowayRS0002
HRP标记山羊抗小鼠IgGImmunowayRS0001
抗PDGFRB抗体Abcamab156762
抗IL-17B抗体Biossbs2609
山羊抗兔IgGAbcamab6939
山羊抗小鼠IgGImmunowayRS0003
含DAPI的Vectashield封片剂Vector Laboratories--
BX51显微镜Olympus--
RPMI 1640培养基Hyclone--
胎牛血清Sciencell--
青霉素/链霉素Beyotime--
重组人IL-4蛋白R&D systems10
粒细胞巨噬细胞集落刺激因子PeproTech20
重组人IL-17B蛋白R&D systems500
脂多糖Sigma10
APC-CY7活死染料Thermo Fisher Scientific--
eFluor450-CD11C抗体Thermo Fisher Scientific--
PE-CD80抗体Thermo Fisher Scientific--
APC-CD86抗体Thermo Fisher Scientific--
FITC-MHC II抗体Thermo Fisher Scientific--
Cytoflex LX流式细胞仪Beckman--
QIAamp血液迷你试剂盒Qiagen--
分散酶IIRoche0.25%
胰蛋白酶Beyotime0.25%
EDTABeyotime0.02%
限定角质形成细胞无血清培养基Gibco--
DMEM培养基Gibco--
CXCL8 ELISA试剂盒Raybiotech--
CCL20 ELISA试剂盒Abcam--
IL-6 ELISA试剂盒Invitrogen--
IL-1B ELISA试剂盒Abcam--
IL-17B ELISA试剂盒Novus Biologicals--
FlowJo 10----
Image-Pro Plus 6.0----
GraphPad Prism--version

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
单细胞测序样本
健康供体3例、银屑病皮损患者3例;全层皮肤;细胞活力>90%;细胞数>500,000
阅读提示:Methods: Tissue isolation and preparation of single cell suspension; Results 第一段
DC诱导与处理
BALB/c小鼠骨髓细胞,IL-4 10 ng/ml、GM-CSF 20 ng/ml培养7天;IL-17B 500 ng/mL处理24小时;LPS 10 ng/mL阳性对照;CD11c、CD80、CD86、MHC II流式检测
阅读提示:Methods: DC activation; Figure 4I legend
TNF-α刺激原代细胞
原代角质形成细胞培养5天、成纤维细胞培养7天;TNF-α处理12小时;ELISA检测CXCL8、CCL20、IL-6、IL-1B、IL-17B
阅读提示:Methods: Primary cell isolation and ELISA for chemokines detection; Figure 4G, H
免疫组化/免疫荧光定量
健康皮肤活检n=6、银屑病n=10;抗PDGFRB、抗IL-17B抗体;定量方法Image-Pro Plus 6.0
阅读提示:Methods: Immunofluorescence and immunohistochemistry; Figure 4E, F
HLA-C*06:02基因分型
新鲜血液200 µl;QIAamp Blood Mini Kit提取DNA;特异性引物PCR;2%琼脂糖凝胶电泳
阅读提示:Methods: PCR-Sequence specific primer of HLA-C*06:02; Results 第一段