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Nature Medicine和Cell两项研究基于人类细胞图谱数据揭示新冠病毒感染途径以及增强感染的机制

近日,有数百名科学家参与的两项独立国际研究结果显示,人体内的某些细胞类型可能在SARS-CoV-2感染方面发挥重要作用,例如人体鼻腔中的特定细胞——杯状细胞。其中一项研究于4月23日在Nature Medicine上发表,另一项研究于4月22日在Cell上发表。两项研究共同表明,鼻腔杯状细胞等细胞类型可高度表达ACE2,该受体与覆盖在SARS-CoV-2表面的刺突蛋白结合可导致COVID-19。

从此前对冠状病毒的研究中,我们了解了很多关于感染途径的信息,包括病毒进入人体的第一步是冠状病毒刺突蛋白与ACE2人类受体的结合,以及一种名为TMPRSS2的相关基因,该基因有助于激活冠状病毒刺突蛋白,使其能够进入细胞。但我们对SARS-CoV-2最初感染的细胞尚不清楚。

来源:Nature Medicine

发表在Nature Medicine的文章题为“SARS-CoV-2 entry factors are highly expressed in nasal epithelial cells together with innate immune genes”。研究团队利用来自人类细胞图谱中健康样本的单细胞RNA测序数据,来寻找同时表达ACE2和TMPRSS2基因的细胞类型,并针对性分析了人类呼吸道(包括鼻腔通道,下呼吸道和肺)中的细胞,以及眼睛、消化道、肌肉等组织中的细胞。

研究中针对的人类呼吸系统:鼻、下呼吸道和肺,以及呼吸道上皮细胞的ACE2表达数据集。来源:Nature Medicine

研究发现,ACE2基因在分析数据集中的表达普遍较低,TMPRSS2的表达更为广泛。提示ACE2的表达可能是病毒初始感染细胞的限制因素。鼻腔中的两种细胞:杯状细胞和纤毛细胞可高度表达ACE2和TMPRSS2。同时,ACE2也在肺的AT2细胞中表达。该结果表明,鼻腔中的这些细胞可能充当病毒库,有助于在个体内传播病毒,并在个人之间传播疾病。研究人员利用其他两项scRNA-seq研究的数据证实了这一发现。

此外,ACE2和TMPRSS2基因也在呼吸系统外表达,包括角膜细胞和肠上皮细胞,研究人员指出,这与一些临床报告中病毒的粪便脱落是一致的。

来源:Cell

发表在Cell的文章题为“SARS-CoV-2 receptor ACE2 is aninterferon-stimulated gene in human airway epithelial cells and is detected inspecific cell subsets across tissues”。研究人员利用现有人类细胞图谱数据和新的单细胞RNA测序数据,分析了人类、灵长类和小鼠的多种组织。研究发现,ACE2和TMPRSS2可同时在鼻腔杯状细胞、II型肺细胞、吸收性肠上皮细胞中表达。在吸收性肠上皮细胞中的ACE2表达,可能有助于解释为什么许多COVID-19患者表现出胃肠道症状。

值得关注的是,该研究有一个最重要的发现,干扰素刺激可增强ACE2基因表达干扰素是由机体免疫系统对病毒感染的反应释放出来的,起着防御病毒的作用。但如果干扰素可上调ACE2基因表达,这意味着会有更多细胞可被新冠病毒感染。

人呼吸道上皮细胞中干扰素刺激可上调ACE2表达,来源:Cell

研究人员认为,在各种肺损伤中,ACE2增加通常是一种保护反应。但由于新冠病毒靶向ACE2,人体自身的免疫系统可能导致邻近的细胞成为病毒的靶点。感染者自身的免疫反应可能正在为病毒创造新的目标。

新冠病毒受体基因在人体中的表达可能会影响病毒的传播能力。以上两项研究证明人体中某些细胞类型最有可能受新冠病毒直接攻击,包括鼻腔杯状细胞、纤毛细胞、肺AT2细胞、吸收性肠上皮细胞。新冠病毒甚至可以利用机体免疫反应释放的干扰素上调ACE2表达以增强感染。这些发现有助于了解新冠病毒感染的发病机理、组织耐受性和病毒增强机制,为COVID-19治疗提供新的见解。

在对抗新冠疫情中,人类细胞图谱和单细胞RNA测序可以提供强大的技术支撑。将大批研究人员和数据集合在一起,可以让科学研究以惊人的速度前进。人类细胞图谱肺生物网络研究成员Nicholas Banovich博士表示:“这些研究结果基本上是一致的,并为SARS-CoV-2感染所针对的特定细胞类型提供了新的见解。当COVID-19危机开始时,这些由人类细胞图谱生成的大型数据集显然是研究哪些细胞类型表达与SARS-CoV-2感染相关的关键基因的宝贵资源。”

参考资料:
1. SARS-CoV-2 entry factors are highlyexpressed in nasal epithelial cells together with innate immune genes. NatureMedicine (2020), DOI: https://doi.org/10.1038/s41591-020-0868-6
https://www.nature.com/articles/s41591-020-0868-6
2. SARS-CoV-2 receptor ACE2 is aninterferon-stimulated gene in human airway epithelial cells and is detected inspecific cell subsets across tissues. Cell (2020)
https://www.cell.com/pb-assets/products/coronavirus/CELL_CELL-D-20-00767.pdf
3. TGen adds to international studiesidentifying cells susceptible to SARS-CoV-2 infection
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/ttgr-tat042320.php
4. Coronavirus Entry Genes Highly Expressedin Two Nasal Epithelial Cell Types
https://www.genomeweb.com/infectious-disease/coronavirus-entry-genes-highly-expressed-two-nasal-epithelial-cell-types#.XqI1Vv03vIU
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本文由 测序中国 作者:陈初夏 发表,转载请注明来源!

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