免疫组库分析（一）：TCR测序在COVID-19研究中的应用

T细胞介导的免疫反应是机体抵抗病毒的获得性免疫系统中的主要防御机制之一。T细胞通过T细胞受体（TCR）介导进行病毒抗原识别，选择性杀伤病毒感染的细胞，在病毒感染后的免疫应答起到十分重要的作用。CD8+ T 细胞被经MHC I传递来的病毒抗原激活后，就会进行克隆扩增，产生大量具有相同TCR的T细胞，然后利用多种方式杀伤病毒感染细胞：一是通过释放穿孔素和颗粒酶直接裂解；二是通过介导肿瘤坏死因子相关的凋亡通路；三是通过分泌促炎症细胞因子。

T细胞介导的对新冠病毒的急性免疫反应

T细胞对病毒抗原的特异识别能力是基于TCR上的V(D)J序列重组而来的。通过重组V(D)J序列，生成TCR α和β链上的互补性决定区（CDRs），理论上可以产生1015种唯一的TCR序列组合。高度多样的TCR免疫组库，实现了对大量的抗原的识别能力，从而提供强大的抗病毒免疫力。

图示V(D)J区域重组

尽管在新冠病毒感染的免疫应答方面已经有大量的研究文献，但抗原特异性T细胞如何应答目标病毒方面还所知甚少。这次小编给大家带来Nature子刊Cell Discovery上的一篇文章。该研究通过分析单细胞TCR测序和单细胞RNA测序结果，揭示COVID-19康复病人TCR免疫组库和T细胞功能性基因表达的动态变化。

该研究利用10X Genomic平台，对出院组（DC）、随访组（FU）和对照组（HD）的样本分别进行了单细胞TCR测序和单细胞RNA测序。

研究流程

TCR免疫组库多样性在新冠病毒感染康复后急速下降

单细胞TCR测序发现出院组的TCR多样性（83.80%）远高于随访组（66.33%）和对照组（69.83%），并且克隆扩增的T细胞占比下降，没有克隆扩增的T细胞占比上升。接着对不同组中占比最高的10种TCR克隆型进行统计，发现随访组和对照组的趋势相近，而出院组在这些TCR克隆型中也保持着较低的占比。以上结果均说明，出院组中克隆型多样性明显增加，以及其克隆型扩增水平较低。

克隆多样性和扩增

康复病人较长时间保持病毒清除能力

通过比较三组中占比最高的20个TCR克隆型的基因表达差异，出院组和随访组相对于对照组，其干扰素和细胞毒性相关基因表达均上升，表明康复病人在较长时间内会保持着强大的病毒清除能力和杀伤功能。

CD8+亚群免疫相关基因的差异表达

扩增最多的T细胞决定CD8+T细胞的特性，表明抗原特异T细胞在抵抗新冠病毒过程中起到至关重要的作用

基因集合富集分析 (GSEA)结果显示，与对照组相比，出院组和随访组的CD8A+KLRB1hiCXCR4hi 分化终止T细胞亚群和CD8A+CD160hi效应器T细胞亚群得到富集。然后基于Gene Ontology数据库(GO)分析了其生物过程 (BP) ，相比对照组，出院组中五个主要的生物过程中，三个直接与干扰素相关的抗病毒免疫应答有关系。尽管CD8+ T中细胞中占比最高的20种TCR克隆型只占总细胞的10%-20%，但其GSEA和BP结果与全部CD8+ T细胞的十分相似，表明这些细胞高度活跃，与抗病毒功能密切相关。

CD3E+CD8A+CD4- 亚群的 GSEA 和 BP分析结果

随访病人的代谢水平发生变化

相对于对照组，GSEA结果显示随访组表现出脂质代谢特性富集，并且发现效应器记忆T细胞亚群在随访组聚集。转录因子分析显示，与脂质代谢和胆固醇合成相关的转录因子SP1活性上升。

随访组vs.对照组的GSEA 结果

新冠病毒感染康复过程中的T细胞免疫动态变化

总之，正常人中，保持相对少数的免疫监控细胞以维持免疫反应的稳定；而在刚刚康复的病人中，抗病毒感染和细胞毒性T细胞克隆得到一定的扩增，表现为CD8+T细胞低水平扩增，但抗病毒功能明显增强；对于随访病人，GZMB细胞毒性克隆和主要的代谢相关克隆得到大量扩增，提示感染后T细胞免疫系统的恢复和抗病毒能力的保持。

新冠病人CD8+ T 细胞免疫动态变化模型

总结

TCR免疫组库多样性在新冠病毒感染康复后显著下降；免疫组库的动态变化与抗病毒反应和代谢适应的基因变化特征相关；占10%-20%的扩增T细胞克隆决定了CD8+T细胞的主要特性，表明抗原特异T细胞在抗病毒过程的重要作用。

检测TCR免疫组库的动态变化可以作为研究新冠病毒疫苗免疫应答的监控工具，还可以推动新的T细胞疫苗的研发。

参考文献：

1. Luo, L., Liang, W., Pang, J. et al. Dynamics of TCR repertoire and T cell function in COVID-19 convalescent individuals. Cell Discov 7, 89 (2021).

2. Gutierrez, Lucas et al. Deciphering the TCR Repertoire to Solve the COVID-19 Mystery

Trends in Pharmacological Sciences, Volume 41, Issue 8, 518 – 530

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