Cell：单细胞测序揭示组织环境对中性粒细胞命运的共同决定作用

来源：BioArt

髓系白细胞接受不同的环境信号会表现出转录和功能上的可塑性【1】。这种可塑性已在病理或稳态条件下得到证明，重要的表现是具有组织特异性的表型和转录谱【2】。髓系白细胞中，大部分对组织相关特征的研究都聚焦在巨噬细胞上，对中性粒细胞的研究则相对较少，很大程度上是由于中性粒细胞在循环中的生命周期较短、组织环境遗传适应的转录活性较低。然而，越来越多的证据表明，在不同的疾病中中性粒细胞的转录谱表现出强烈的异质性【3-4】。因此，健康组织中也可能存在不同的中性粒细胞亚群，以适应这些组织的特定环境，完成这些组织所需的机体生理任务。

2020年10月23日，西班牙马德里卡洛斯三世国家心血管研究中心Andres Hidalgo团队在Cell上发表了题为“Co-option of Neutrophil Fates by Tissue Environments”的论文，研究了组织中中性粒细胞的多样化特性。发现中性粒细胞在多种组织中的生命周期较长，有助于适应组织环境。蛋白组、转录组和表观遗传学分析确定了中性粒细胞的表型和功能。特别发现在肺部，组织特异性编程使得趋化因子能够指导至定位区域，以维持器官稳态和生理需求。

研究人员首先利用特异性的iLy6GtdTom小鼠模型对中性粒细胞的寿命进行研究，发现当中性粒细胞进入组织时，能够停留长达1天（平均为28到61小时）。随后单细胞转录组分析描绘了骨髓、血液、脾脏、肺、小肠和皮肤中共36个白细胞亚群。其中，巨噬细胞展现出了最大的可变性和异质性，中性粒细胞的组织异质性程度高于单核细胞、B细胞和NK细胞。在不同组织中大致分为5个亚群，具有不同的转录谱特征。各个组织的批量转录组数据也进一步发现了组织特异性表达基因（如骨髓中的颗粒蛋白基因、血液中的Ifitm基因、和肺中的Il1b基因），结合ATAC-seq结果，综合在染色质、RNA和蛋白质水平的稳态条件下描绘了中性粒细胞的异质性和多样性。

图1. 中性粒细胞在组织中寿命短且各不相同

中性粒细胞寿命不长，其形成组织特异性的机制是什么呢？作者将每个组织的特征投射到血液中性粒细胞的单细胞转录组上，发现血液组织的特征是最强的，批量转录组数据显示肺、小肠和皮肤的转录组更加多样化，可能是屏障组织受到自然暴露的共生微生物群的影响，无菌小鼠的肠道和皮肤几乎没有中性粒细胞证明了这一猜想。但肺和脾脏的中性粒细胞又是如何形成组织特征的？利用异种共生模型和转移实验在RNA、蛋白质和表观修饰方面进行阐述，同时结合肺在病理状态下的特征对中性粒细胞进行检测，最终得出结论：中性粒细胞在进入组织后发生重编程。

图2. 中性粒细胞在组织中获得相关组织特异性

接下来，作者利用中性粒细胞的损耗模型证明了中性粒细胞支持基因毒性损伤后的造血修复和维持造血稳态。此外，肺部的所有白细胞中，只有中性粒细胞展现出了肺部特异性的特征，基因表达谱和动物实验显示具有促进血管生成的特性和功能，该功能在小肠中也有所体现。最后，作者利用中性粒细胞特异性缺失CXCR4的小鼠模型证明了CXCR4不影响肺部中性粒细胞的转录谱特征，而是引导中性粒细胞定位到获得其表型和行使功能的特定区域。

图3. 肺和肠道中性粒细胞的血管生成特性

总的来说，本研究利用新的模型来追踪中性粒细胞的命运，发现其在不同组织的寿命较短且各不相同。通过对蛋白质、转录组和染色质可及性图谱分析，识别了不同的中性粒细胞的表型和功能。中性粒细胞的损耗对血管生成过程造成损伤，进一步支持中性粒细胞有助于基因毒性损伤、病毒感染以及辐照后造血系统的损伤修复。此外，对于肺部和小肠，中性粒细胞在组织中才获得了组织特异性，且肺部的的中性粒细胞定位于富含CXCL12的区域，依赖于CXCR4。该研究证明了组织中存在不同的中性粒细胞亚群，其命运决定于组织环境，具有适应和完成这些组织所需的机体生理任务。

参考文献

1. Natoli, G., and Ostuni, R. (2019). Adaptationand memory in immune responses. Nat Immunol 20, 783–792.

2. Lavin, Y., Mortha, A., Rahman, A., and Merad, M.(2015). Regulation of macrophage development and function in peripheraltissues. Nat Rev Immunol 15, 731–744.

3. Cuartero, M.I., Ballesteros, I., Moraga, A., Nombela,F., Vivancos, J., Hamilton, J.A., Corbı´, A.L., Lizasoain, I., and Moro, M.A.(2013). N2 neutrophils, novel players in brain inflammation after stroke:modulation by the PPARg agonist rosiglitazone. Stroke 44, 3498–3508.

4. Gupta, S., and Kaplan, M.J. (2016). The role ofneutrophils and NETosis in autoimmune and renal diseases. Nat Rev Nephrol 12,402–413.