Python单细胞复现2022||01-文献阅读：致命COVID-19分子单细胞肺图谱

这篇文献提供的代码是R与python版本，是个极好的学习单细胞与python的资源

今天先来看看文献背景

文献情况：

标题：A molecular single-cell lung atlas of lethal COVID-19
Doi：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03569-1
通讯作者：Benjamin Izar Jianwen Que 哥伦比亚大学欧文医学中心血液学/肿瘤科医学系
杂志：Published: 29 April 2021 Nature
代码：https://github.com/IzarLab/CUIMC-NYP_COVID_autopsy_lung

呼吸衰竭是severe SARS-CoV-2感染患者死亡的主要原因，但肺组织水平的宿主反应尚不清楚。本文对19名死于COVID-19的患者和7名对照组患者的肺中约11.6万个细胞核进行了单核RNA测序。综合分析发现了细胞组成、转录细胞状态和细胞间相互作用的重大变化，从而为了解致命COVID-19的生物学提供了帮助。

看这篇文献的时候，心情突然有点那么沉重。

数据情况

处理后的数据: https://singlecell.broadinstitute.org/single_cell/study/SCP1219.
处理后的数据在GEO中也有 GSE171524.
原始数据: https://duos.broadinstitute.org (study ID DUOS-000130).
Source data are provided with this paper

总共包含 COVID-19队列（19例样本）与对照队列Control（7例样本）

image-20220929121227844.png

COVID-19的肺细胞landscape

使用单细胞核测序，经过质控流程，得到一个肺的图谱：116,314个单细胞，包括COVID-19队列79,636个细胞以及对照队列Control 36,678个细胞。9个主要的细胞类型鉴定如下：

epithelial cells (n = 30,070 cells)
myeloid cells (n = 29,632)
fibroblasts (n = 22,909)
endothelial cells (n = 5,386)
T and natural killer (NK) lymphocytes (n = 16,751)
B lymphocytes and plasma cells (n = 7,236)
neuronal cells (n = 2,017)
mast cells (n = 1,464)
antigen-presenting cells (APCs; primarily dendritic cells) (n = 849)

image-20220929161024368.png

具体的样本情况以及详细注释：

image-20220929170540935.png

髓系细胞的异常激活

髓系细胞是COVID-19肺的主要细胞成分，且比对照组肺更为普遍。我们鉴定了：

单核细胞(n = 3,176)
单核细胞衍生的巨噬细胞(MDMs;n = 9,534)
transitioning MDMs (n = 4,203)
常驻肺泡巨噬细胞(resident alveolar macrophages，AMs;n = 12,511)

它们在diffusion component(DC)分析中被恢复为不同的轨迹，在COVID-19肺部更常见（图2a-c）。来自COVID-19个体的髓系细胞被高度和异常激活。

此外：

COVID-19肺中的MDMs差异表达激活基因(例如CTSB、CTSD、CTSZ、PSAP)和两个长链非编码rna NEAT1和MALAT1，它们与异常巨噬细胞激活和受损的T细胞免疫相关
AMs产生于胎儿单核细胞，可以自我更新，在COVID-19肺中富集并高度激活

image-20220929171111385.png

这些数据表明，髓系细胞是COVID-19中炎症失调的主要来源。

血浆和T细胞响应

使用the variable heavy (IGHV) and light (IGLV) chains鉴定了浆细胞，T/NK细胞群体分为了：CD8+ T cells (n = 3,561), T regulatory (Treg) cells (n = 649), other CD4+ T cells (n = 7,586), and NK cells (n = 2,141)。

作者发现COVID-19肺部的T细胞丰度没有显著增加，只有细胞因子和T细胞激活和组织驻留相关程序的适度上调（上图G-I）。

肺泡上皮再生受损

上次细胞分为：

肺泡上皮细胞 (AT1 and AT2 cells; n = 20,949)
气道上皮细胞 (basal, ciliated, club, goblet, and mucous cells; n = 7,223)
一种以表达炎症和细胞周期基因为特征的亚群, 包括 IRF8, B2M, MKI67 and TOP2A (‘cycling epithelium’; n = 609)
显示细胞外基质(ECM)成分高表达的亚群 COL6A3, COL1A2, and COL3A1

此外：在肺再生过程中，AT2细胞作为AT1细胞的祖细胞，可以分化为AT1；对照组肺中的AT2和T1细胞形成了不同的簇。这其中有几个比较重要的基因：

ETV5 ：COVID-19 AT2细胞低表达ETV5，维持AT2细胞身份，ETV5表达降低与向AT1细胞分化相关
CAV1：AT1成熟晚期的标志，在COVID-19肺的AT1细胞中表达水平显著降低

image-20220929203123004.png

COVID-19中的异位簇状细胞

在捕获的气道上皮细胞中，我们发现了四种不同的轨迹:

KRT5+ TP63+基底细胞basal (n = 534)
club细胞(n = 1232)
杯状细胞goblet cells (n = 1757)
一种细胞较少的轨迹(n = 110)，主要在COVID-19肺部发现，我们将其确定为簇状细胞putative tuft-like cells

image-20220929205412851.png

簇状细胞参与气道炎症和肠组织再生，但它们在病毒性肺炎中的作用尚不清楚。本研究中表现如下：

新冠肺炎患者上呼吸道的簇状细胞(CHAT+或POU2F3+)数量增加了3倍，且只在新冠肺炎患者肺实质中异位存在，但在对照组肺中不存在（parenchyma为腺细胞组织，实质）

image-20220929212254016.png

病理性成纤维细胞和肺纤维化

COVID-19肺部的成纤维细胞明显多于对照组(图1d)，α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA，基因名字ACTA2)免疫组化染色证实了这一发现：

image-20220929212924523.png

纤维化程度(determined by a Sirius red fibrosis score)与疾病持续时间相关(图4a)，表明COVID-19的肺纤维化随着时间的推移而增加：

image-20220929213720642.png

此外：作者确定了五种成纤维细胞亚型：与对照肺相比，COVID-19肺中病理或中间病理成纤维细胞的频率增加(图4c)

肺泡 alveolar (n = 4670)
外膜 adventitial (n = 3773)
病理 pathological (n = 2322)
中间病理 intermediate pathological (n = 8779)
其他(n = 1099) (图4b)

主要细胞类型之间的配体-受体分析结果显示：

在所有细胞中配体-受体相互作用最多的是TGFβ1 - TGFβ受体2和BMP6-ACVR1，它们分别属于TGFβ家族和超家族。TGFβ信号在促进肺纤维化中具有重要作用，并与成纤维细胞介导的ADI27维持有关，而ADI27与DATP细胞状态密切相关。

image-20220929220504551.png

这里还有一个有意思的分析：

为了研究针对pFBs（pathological fibroblasts）的潜在治疗策略，作者从单核转录组中推断蛋白质活性，然后将pFBs与其他成纤维细胞进行比较。该分析预测pFBs将表现出JunB和JunD活性的增加(图j)，它们通过增强TGFβ和STAT3信号通路诱导小鼠模型的肺纤维化，并与IL-1β的产生增加有关。最后，作者推断出pFBs中的药物作用靶点，并将MMP14和STAT3作为废除pFBs中有害程序的潜在靶点(图j)。

有好几个方法可以利用单细胞RNA数据推断蛋白层面的分子活性，下次介绍~