基于单细胞测序VDJ测序技术对COVID-19患者的BCR库研究

背景介绍:

全球正面临着由SARS-CoV-2引起的新冠肺炎(COVID-19)大流行。适应性免疫反应对于清除SARS-CoV-2病毒至关重要。虽然已经对新冠肺炎患者的免疫机制进行了大量研究,我们仍然缺乏对患者的B细胞受体库的全面了解。

结果:

研究者分别抽取12COVID-19康复患者及6名健康人员的新鲜血液,运用单细胞VDJ测序来描述恢复期COVID-19患者的BCR序列(图1)

该研究分析了19581个BCR亚型,平均每个COVID-19康复患者样本有1086个B细胞;平均每个健康样本有1092个B细胞。

研究者首先研究了COVID-19患者和健康对照组的整个BCR库中基因片段的使用情况。对于重链中的V基因片段,IGHV3、IGHV4、IGHV1和IGHV2基因家族在COVID-19患者和健康对照组中都经常使用(图2A),尤其是IGHV3和IGHV4家族,它们占所有BCR的75%以上。每个IGHV家族的基因片段频率在COVID-19患者和健康对照组之间存在显著差异(图2B-E)。具体而言,在COVID-19患者中,IGHV3家族的IGHV3-30、IGHV3-23、IGHV3-15和IGHV3-33,IGHV4家族的IGHV4-4、IGHV4-31和IGHV4-30-2,IGHV1家族的IGHV1-3和IGHV2家族的IGHV2-70显著增加。

IGHJ基因片段分析表明,最常使用的是IGHJ4,在COVID-19患者和健康对照组中均占所有BCR的40%以上(图2F)。IGHJ3、IGHJ4和IGHJ5的比例在两组样本之间存在显著差异(图2G)。

BCR克隆型分析表明,与健康对照组相比,COVID-19患者的BCR多样性显著降低(图3A)。然后,研究者对BCRs进行聚类,以识别每个患者扩增的B细胞克隆型。研究者从12名COVID-19患者中获得9268个BCR组,其中310个包含至少3个BCRs,这些被称为克隆B细胞。与健康对照组相比,COVID-19患者中克隆细胞的比例要高得多。平均而言,COVID-19患者的克隆细胞约为25%,而健康对照组约为7%(图3B)。COVID-19患者和健康对照组之间没有共享的BCRs。研究者进一步研究了克隆性BCRs是否在患者之间共享,发现仅在2名患者中存在少量共享BCRs,这表明具有抗病毒功能的BCRs可能数量很多。

研究者研究了V和J基因片段在克隆BCRs中的使用情况。最常用的V和J基因片段是上面提到的那些在COVID-19患者中显著高于健康对照组的基因片段,例如重链的IGHV4-39、IGHV3-23、IGHV1-3、IGHV2-70和IGHJ3,以及轻链的IGKV1D-13、IGLV1-51、IGLJ3和IGKJ2(图3C)。

接下来,研究者研究了COVID-19患者克隆性扩张BCR的CDR3序列的特征。在重链中,CDR3的长度集中在15,18和22个氨基酸,其中长度为18个氨基酸所占比例最大,且明显长于非克隆性扩张BCRs和健康对照组(图3D和E)。进一步的motif富集分析表明,克隆性BCRs患者的重链CDR3序列比健康对照组更为趋同,尤其是15,18和23个氨基酸长度的CDR3序列,提示抗病毒免疫后BCRs的高特异性(图3F)。有趣的是,不同长度的CDR3对应着不同的V基因片段。总之,研究结果表明,在COVID-19患者中,外周血B细胞存在显著的克隆扩增和B细胞受体库使用偏好性改变,尤其是在BCR的重链中。

BCR重链的恒定区域决定了免疫球蛋白(Ig)的类型及其可以诱导的效应功能。人类有五种类型的免疫球蛋白,包括IgMIgDIgGIgAIgE。不同的Ig类型通常具有不同程度的抗体亲和力。

研究者首先比较了COVID-19患者和健康对照组之间不同Ig同种型的频率。IgM在所有BCR库中的比例最大(>50%但是研究者也观察到其比例在COVID-19患者中显著降低,这与在抗感染过程中其它亲和力较高的亚型的增加是一致的(图4A)。COVID-19患者中IgG1IgG3IgA1的比例显著升高,其IgGIgM/DIgAIgM/D的比例明显高于健康对照组(图4B)这些变化表明对清除血液和呼吸道黏膜中的病毒颗粒有强烈的体液免疫反应。

COVID-19患者的克隆BCRs来说,IgM的比例显著降低(图4C)。IgG1IgA1为主要的Ig类,分别占所有克隆BCRs40.15%18.81%(图4C)表达IgGB细胞具有较高的浆细胞分化能力,从而增加抗体分泌以应对病毒感染。各亚型的基因片段统计表明,IgMIgD利用了多个V基因片段,而IgGIgA则表现为不同V基因片段倾斜(图4D和E)。具体来说,IgG主要使用IGHV4IgG1主要使用IGHV4-39IgG2主要使用IGHV4-30-2IgG3IgG4主要使用IGHV4-4,而IgA1IgA2分别主要使用IGHV2-70IGHV3-33,表明其在血清和粘膜中的潜在局部诱导作用(图4D和E)。

进一步分析发现,各亚型CDR3的长度也不同。CDR3长度在IgMIgD中的分布与健康对照组和COVID-19患者非克隆BCRs一致(图3D和4F)。而IgGIgA中不同亚型CDR3的长度往往集中在一定的长度上,且比IgMIgD长,但IgG2除外(图4F)。

研究者将COVID-19患者的DHM和CSR与健康对照组进行了比较。在COVID-19患者中可检测到的同型转换增加,大多数CSR只发生在克隆性扩张的BCRs中(图5A-D)与其它同型抗原相比,IgG经常发生同型转换,尤其是IgG3。进一步分析发现,克隆BCRs的SHM比率显著高于非克隆BCRs或健康对照组(图5E)。在COVID-19患者克隆BCRs的所有同型抗原中,IgG的SHM率高于其它同型抗原,而其中尤以IgG3的SHM率最高(图5F)。此外,研究者发现来自不同克隆群的IgG3簇具有相同的IGHV、IGHJ和CDR3序列(IGHV4-4-CARLANTNQFYDSSSYLNAMDVW-IGHJ6)(表1)。研究结果表明,IgG3亚型可能是病毒清除的关键因素。

总结:

研究发现,与健康对照组相比,疾病组BCR重链有更高的频率变化。疾病组BCR倾向于不同的IGHV3和IGHV4重排,CDR3H明显长于健康对照组,且趋于不同的长度,而在轻链上没有显著差异。这些结果提示BCR重链在清除病毒感染中起主要作用。研究中还发现该病中IgG和IgA同种型增加,包括IgG1、IgG3和IgA1。在所有克隆BCR中,IgG亚型的同型转换重组频率最高,体细胞超突变率最高,尤其是IgG3。此外,研究者发现来自不同克隆群的IgG3簇具有相同的IGHV、IGHJ和CDR3序列。这些结果表明IgG3可能对抗新冠病毒感染中发挥重要作用。该研究研究了BCR基因库在COVID-19患者的特征,有助于了解机体免疫应答SARS-CoV-2感染的机制。


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参考文献:

[1]Jin X, Zhou W, Luo M, Wang P, Xu Z, Ma K, Cao H, Xu C, Huang Y, Cheng R, Xiao L, Lin X, Pang F, Li Y, Nie H, Jiang Q. Global characterization of B cell receptor repertoire in COVID-19 patients by single-cell V(D)J sequencing. Brief Bioinform. 2021 Nov 5;22(6):bbab192. doi: 10.1093/bib/bbab192. PMID: 34015809; PMCID: PMC8194558.


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