文献解读:表达IRF4人朗格汉斯细胞的基因组编程

今天跟大家文献解读的是2020年4月发表在Nat.Commun.(IF:11.878)杂志上的一篇文章Genomic programming of IRF4-expressing human Langerhans cells.在文章中作者对分离出的朗格汉斯细胞(LC)进行scRNA-seq、FACS和ChIP-seq在染色质和转录组水平进行了分析。其后运用CRISPR-Cas9基因编辑技术敲除IRF4,探究转录因子IRF4调控LC转录的潜在功能通路。

Genomic programming of IRF4-expressing human Langerhans cells
表达IRF4人朗格汉斯细胞的基因组编程

复现数据来源:GSE120386
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE120386

一.研究背景

LC作为免疫系统前哨位于表皮中,是抗原呈递细胞,也有激活皮肤记忆T调节细胞的免疫作用。阐明LC中的调节通路和机制非常重要,这些调节通路和机制能够促进表皮中的致耐受性和免疫应答。

二.分析流程

三.结果解读

1.分析人表皮LC及其功能

图1a:原代LC分离的图示。

  • 从表皮中分离稳态LC,和在细胞培养基中迁移48 h,并用TNF刺激(24 h)以诱导LCs活化。

图1b:对稳态和迁移LCs用流式细胞仪评估。

  • 迁移LCs的高HLA-DR/CD207/CD1a细胞占比显著升高。

图1c:接着对高HLA-DR/CD207/CD1a细胞表面的共刺激分子CD70、CD86、CD40作评估。

图1d:对照实验结果发现,迁移LCs的IFN-γ的分泌量显著增大(尤其是在EBV刺激下)。

图1e:TNF刺激下,迁移LCs的IFN-γ的分泌量也显著增大。

 

图1.用于分析LC和控制抗原交叉提呈的系统
 

2.LCs RNA测序分析转录组

作者对LCs的RNA进行测序来分析转录组。

图2a:在迁移LCs中主要功能通路的基因富集情况。

  • “抗原加工和呈递”显著富集。

图2b:将LCs显著表达基因和抗原呈递、抗原交叉呈递基因取交集。

图2c:流式细胞仪评估。

  • 迁移LCs诱导了SQSTM1和TRIM21蛋白(参与抗原加工的关键成分)的高表达。

图2d:评估LCs在TNF刺激下,其中与抗原运输(红色)、抗原加工(淡紫色)、抗原交叉展示(蓝色)相关的基因的表达情况。

图2e:在TNF刺激的过程中,上调免疫激活基因的富集情况。(左图为早期诱导的基因;右侧图为晚期诱导的基因)

  • 早期UBC、CD83、CD40被诱导高表达;

  • 晚期SQSTM1PSME2被诱导高表达。

 

图2.迁移LCs的转录组分析
 

3.LCs中新陈代谢和抗原呈递的耦合

图3a.scRNA-seq分析迁移LCs(CD1a+HLA-DR+)的转录组。

  • 聚类分为了5个簇。

图3b.对簇1–3中细胞的伪轨迹分析表明,其成熟进程为:簇3→簇1→簇2。

图3c.对簇1–3通过GO分析作了功能注释。

图3d.进一步对簇1–3的抗原呈递、抗原加工、氧化磷酸化等基因进行富集分析。

  • 簇1和簇2中细胞表达参与氧化磷酸化过程的基因的比例更高。

图3.迁移LCs的scRNA-seq分析
 

4.LC启动子中IRF(干扰素调节因子)结合元件的富集

为了确定涉及LCs基因组编程的转录因子,作者作了ChiP-seq和TF motif 富集分析。

图4a:用TNF刺激后,对簇3(早期,a图左侧条形图)和簇2(a图右侧条形图)上调的共表达基因簇中,计算在2 h时带有H3K27Ac(乙酰化)标记的DEGs的比例。

  • 在LCs中观察到高水平H3K27乙酰化作用(90%和92%)。

图4b:利用UCSC跟踪迁移LCs中H3K27Ac标记随TNF刺激的时间变化。

  • 红色矩形表示代表性的启动子位点。

图4c:进行TF motif 富集分析,来预测相关的转录因子。

  • 在迁移LCs中,TF motif EICE(ETS-interferon composite element)显著富集;其次是AICE (AP-1-interferon composite element)、ISRE(interferon-stimulated response element )。

图4d:接着作了GO分析对带有H3K4Me3和H3K27Ac标记基因的启动子作了功能注释。

  • 主要富集在“参与泛素化”、“抗原呈递”。

 

图4.迁移LCs的H3K4me3和H3K27Ac的染色质分析和TF motif 富集分析
 

5.LC的迁移和成熟与IRF4相关

图5A:FACS分析发现IRF4蛋白表达上调。

图5B:迁移LCs中IRF4+CD207+CD1a+细胞比例显著升高。

图5C:TNF刺激前后(2 h,24 h),迁移的LC中关键转录因子的转录水平。

  • JUNSPI1IRF4在LC中表达水平最高。

图5D:TNF刺激前后的FACS分析结果表明:TNF刺激下,BATF3蛋白的表达基本保持不变,而IRF4的表达下调。

 

图5.LC在迁移时上调IRF4的表达
 

6.IRF4介导的LC的转录编程

作者使用CRISPR-Cas9编辑技术敲除LC中IRF4,进行下一步的分析。

图6a:对敲除组(KD)和野生型对照组(WT)作FACS分析,测量在CD207+CD1a+LC中IRF4的表达水平。

图6b:定量LC中IRF4的表达水平。

  • 敲除组LC中IRF4的表达下调。

图6c:对KD和WT组的LCs作了scRNA-seq分析,然后在UMAP图中分离了KD和对照组细胞的转录组。

图6d:对KD和WT组作GO分析。

  • 两组在功能注释上存在显著差异。

图6e:在WT组LC中以较高水平表达的基因的条形图。

图6f:在KD组LC中以较高水平表达的基因的条形图。

 

图6.IRF4介导的LC的转录编程
 

小结

        作者对分离出LC进行scRNA-seq、FACS和ChIP-seq在染色质和转录组水平进行了分析。对迁移LC作snRNA-seq分析,降维聚类了三个主要亚群:簇1、2、3。另通过伪轨迹分析其成熟进程为:簇3→簇1→簇2。用ChIP-seq研究转录因子结合位点和组蛋白特异性修饰位点:H3K4Me3和H3K27Ac。通过FACS发现迁移LC中IRF4的高表达;且在TNF刺激下,IRF4表达下调。其后运用CRISPR-Cas9基因编辑技术敲除IRF4、通过GO分析功能注释等,探究了转录因子IRF4调控LC转录的潜在功能通路。

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