流感疫苗诱导的免疫细胞表观基因组和转录全景图

撰文 | 唐小糖

表观基因组能够在很长一段时间内维持特定的染色质状态，甚至跨越几代细胞实现持久的信息储存，其在调节基本生命过程中的核心作用已得到了一定的阐述【1】。但在免疫反应（如疫苗诱导）的过程中，细胞异质性如何影响表观转录组目前还不清楚，在单细胞水平上也缺少对表观基因组景观的全面系统生物学评估。

2021年6月25日，斯坦福大学Bali Pulendran团队在Cell上在线了一篇题为The single-cell epigenomic and transcriptional landscape of immunity to influenza vaccination 的研究论文，在单细胞水平上，包括EpiTOF、ATAC-seq和scRNA-seq技术，绘制了人类流感疫苗免疫的表观基因组和转录全景图。

研究人员首先利用EpiTOF分析了21名年龄在18-45岁流感疫苗接种前后的健康人队列，分析包括疫苗接种前的第21天和第0天，以及接种后的第1、7、30和180天的PBMCs，发现免疫细胞群比例在这些时间点之间没有明显的变化。每个亚群的组蛋白修饰UMAP景观图很明显的看到淋巴细胞和髓系分开，造血祖细胞（CD34+）与分化完全的免疫细胞液分开，且不同时间点的样本也出现了分离，第30天变化较为明显，与基线水平相比，CD34+ 细胞中组蛋白甲基化标记增加和，髓系中乙酰化标记减少。经典单核细胞和髓系树突状细胞（mDCs）在第30天的 H2BK5ac、H3K9ac、H3K27ac和H4K5ac修饰受到抑制。通过使用H3K27ac、H2BK5ac、H4K5ac、H3K9ac和PADI4标记对mDCs和经典单核细胞进行聚类和分析，研究人员构建了单细胞组蛋白修饰全景图，发现第180天的细胞并没有回到基线位置，而是处在中间状态，这表明持续的表观遗传学改变可以在接种流感疫苗后6个月内检测到。

接着，研究人员在接种前或接种后的不同时间点，分别用LPS、Flagellin、Pam-3-Cys或pI:C、R848刺激PBMCs。发现一些细胞因子和趋化因子在疫苗接种后第1至7天下降很明显，在第30天达到最低点，并在第180天恢复到接近基线水平。研究者使用配对相关分析将样本中的细胞因子水平与经典单核细胞中的EpiTOF组蛋白修饰水平以及同一样本的PBMCs中的单核细胞比例和细胞活力相关联，发现组蛋白乙酰化标记与细胞因子分泌呈正相关，抑制性甲基化标记与细胞因子分泌负相关，并通过加酶和抑制剂证明了因果关系。进一步，研究人员通过ATAC-seq分析发现接种疫苗后，髓系中AP-1靶向位点的染色质可及性降低，并通过scATAC-seq和scRNA-seq构建了接种疫苗后的天然免疫细胞全景，确定了其染色质可及性以及转录水平的异质性。

最后，研究人员利用EpiTOF，分析了18名接种者（9名H5N1，9名H5N1+AS03）在第0、7、21、28和42天的PBMC样本，构建了组蛋白修饰谱图，对比后发现，接种H5N1+AS03（而不是H5N1）后，经典单核细胞中的H3K27ac、H4K5ac、H3K9ac和PADI4明显减少，先天性细胞因子和趋化因子产生也显著降低，scATAC-seq结果显示AP-1染色质可及性也有所降低，但IRF和STAT家族中TFs的染色质可及性有所增加，表明抗病毒反应可能有所增强，体外登革病毒或寨卡病毒感染PBMCs也证明了这一点，感染后病毒滴度提前降低，且与疫苗诱导的开放染色质相关的抗病毒基因表达变化相关。

总的来说，本研究在单细胞水平上绘制了人类流感疫苗免疫的表观基因组和转录组全景。接种疫苗后经典单核细胞和mDCs中IRF位点的染色质可及性持续增加，与抗病毒基因的表达升高相关，可能对非相关的寨卡病毒和登革病毒的抵抗力增强有所贡献，因此疫苗接种诱导了先天免疫系统的持续表观基因组重塑。

原文地址：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.05.039