在最近發(fā)表在《 分子細(xì)胞》雜志上的一篇文章中，研究人員提供了一個有價值的數(shù)據(jù)資源，可以深入了解控制人類免疫缺陷病毒 (HIV) 在人腦中整合和表達(dá)的細(xì)胞和遺傳機(jī)制。

背景

HIV 在感染后的前兩周內(nèi)進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng) (CNS)。小膠質(zhì)細(xì)胞、骨髓細(xì)胞和巨噬細(xì)胞共同構(gòu)成神經(jīng)元的 5-10%，主要受到感染。

HIV 感染性腦炎 (HIVE) 是聯(lián)合抗逆轉(zhuǎn)錄病毒療法 (cART) 發(fā)現(xiàn)后的一種罕見并發(fā)癥；然而，HIVE 是研究活躍的 HIV 復(fù)制如何影響大腦的理想條件。在某些情況下，在急性 HIV 感染的初始階段，患者會出現(xiàn)類似于 HIVE 狀態(tài)的神經(jīng)系統(tǒng)癥狀。

需要更多基因組和轉(zhuǎn)錄組水平的數(shù)據(jù)來設(shè)計針對 HIV 相關(guān)神經(jīng)認(rèn)知障礙 (HAND) 的有效治療方法，該疾病影響全球 20-50% 的 HIV 感染者。迄今為止，大多數(shù)基因組研究都集中在大塊組織的基因表達(dá)譜分析上，以證明 HIV 引發(fā)的代謝變化和神經(jīng)炎癥。

關(guān)于研究

在本研究中，研究人員進(jìn)行了首創(chuàng)的細(xì)胞類型特異性整合基因組學(xué)研究，包括三維 (3D) 基因組作圖、HIV 整合位點測序 (IS-seq) 和單核轉(zhuǎn)錄。

雖然之前的研究使用的是大塊組織，但目前的研究人員使用的是來自感染 HIV 的已故捐獻(xiàn)者和患有或未患有腦炎的對照者的額葉組織。更具體地說，獲得了三個未感染 HIV、三個 HIV 感染和七個 HIVE 的額葉皮質(zhì)灰質(zhì)和皮質(zhì)下白質(zhì)樣本。

對于轉(zhuǎn)錄的細(xì)胞類型分辨率，該團(tuán)隊對來自大腦額葉的組織樣本進(jìn)行了 10X Chromium 單核核糖核酸測序 (snRNA-seq)。此外，研究人員篩選了單核的 HIV 轉(zhuǎn)錄本，并觀察了所有類型腦細(xì)胞中的 HIV 轉(zhuǎn)錄本。

小膠質(zhì)細(xì)胞的 3D 重組尚未在體內(nèi)可視化。因此，該團(tuán)隊從兩個具有年齡和性別匹配對照的 HIVE 大腦中生成了小膠質(zhì)細(xì)胞的全基因組規(guī)模高通量染色體構(gòu)象捕獲 (Hi-C) 圖。根據(jù) sc-RNA 序列結(jié)果，這些 HIVE 腦樣本已證實 HIV 表達(dá)。

此外，研究人員檢查了 0.1 至 10 兆堿基 (Mb) 大小的小膠質(zhì)細(xì)胞染色體區(qū)室，這些區(qū)室隨后被分為基因密集和基因貧乏的 A 和 B 區(qū)室。值得注意的是，相分離驅(qū)動 A 和 B 染色體區(qū)室的空間分離。

由于 HIVE 還會重塑染色質(zhì)區(qū)室結(jié)構(gòu)，研究人員探索了小膠質(zhì)細(xì)胞中的拓?fù)湎嚓P(guān)域 (TAD) 和環(huán)路改變。

研究結(jié)果

通過 snRNA-seq，分析了 69,843 個細(xì)胞核，平均產(chǎn)生 2,401 個差異表達(dá)基因 (DEG)，平均深度為 119,797 個讀數(shù)。此外，包含 194 Mb 小膠質(zhì)細(xì)胞基因組的 Hi-C (dcHiC) 的微分區(qū)室分析（其長度幾乎與人類 5 號染色體的大小相當(dāng)）也揭示了 HIVE 大腦中 A/B 區(qū)室化與感染艾滋病毒的大腦。

在經(jīng)歷深刻重組的同時，小膠質(zhì)細(xì)胞中 DEG 位點的染色體構(gòu)象也改變了千到百萬堿基尺度的 TAD，并重新連接了數(shù)百個接觸特異性環(huán)。

HIVE 和 HIV 感染的小膠質(zhì)細(xì)胞 A 隔室中的基因組顯示出從 47.3% 到 46.2% 的顯著變化。此外，HIVE 小膠質(zhì)細(xì)胞的 118 Mb 染色體 A/B 區(qū)室轉(zhuǎn)變?yōu)楦_放的構(gòu)象，而 76 Mb 則在相反方向轉(zhuǎn)變?yōu)楦忾]的構(gòu)象。

七個 HIVE 樣本中具有增強(qiáng) A 區(qū)室化的區(qū)域有 1,940 個基因的表達(dá)水平明顯高于 snRNA-seq 數(shù)據(jù)集中三個 HIV 感染的小膠質(zhì)細(xì)胞。總體而言，HIVE 中的 Hi-C 隔室變化是小膠質(zhì)細(xì)胞特異性的。

功能通路分析顯示補(bǔ)體級聯(lián)基因、干擾素 (IFN) 和其他細(xì)胞因子信號通路以及骨髓趨化性和遷移通路大量富集。這些變化表明，由于 HIV 在大腦中的整合，小膠質(zhì)細(xì)胞的功能從神經(jīng)元支持功能轉(zhuǎn)變?yōu)檠装Y。

值得注意的是，即使在沒有 HIV 整合的情況下，來自 HIV 感染大腦的非腦炎性小膠質(zhì)細(xì)胞也顯示出與神經(jīng)元健康相關(guān)的基因表達(dá)的保守變化。盡管沒有直接的神經(jīng)元感染，早期的損傷可能會導(dǎo)致 HIV 感染期間出現(xiàn) HAND 和相關(guān)的神經(jīng)元功能障礙。

結(jié)論

目前的研究表明，感染 HIV 的大腦中的 3D 全基因組改變是小膠質(zhì)細(xì)胞特異性的，并導(dǎo)致顯著的核轉(zhuǎn)錄組重編程。例如，HIVE 小膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)上調(diào)的基因位點轉(zhuǎn)變?yōu)楦欣霓D(zhuǎn)錄和開放染色質(zhì)狀態(tài)，從而表明 HIV 整合和轉(zhuǎn)錄導(dǎo)致了小膠質(zhì)細(xì)胞中的這些免疫變化。

此外，HIV 衍生的轉(zhuǎn)錄物通過其他機(jī)制影響小膠質(zhì)細(xì)胞染色體構(gòu)象。HIV 表現(xiàn)出對整合到 A 室開放染色質(zhì)中的強(qiáng)烈偏好。事實上，一些 HIV 整合位點可能依賴于類似于 T 細(xì)胞的疾病階段，這在以前的研究中已經(jīng)報道過。

其他病毒，如嚴(yán)重急性呼吸系統(tǒng)綜合癥冠狀病毒 2 (SARS-CoV-2)，也在氣味受體基因處重新連接染色體組織。研究人員注意到免疫刺激和感染之間存在聯(lián)系，表明大腦小膠質(zhì)細(xì)胞激活以某種方式增強(qiáng)了 HIV 感染。

這些小膠質(zhì)細(xì)胞是高水平高效 HIV 轉(zhuǎn)錄的位點，隨后會從這里傳播到其他易感腦細(xì)胞群中。這些 HIV 整合位點的小克隆群體復(fù)制并增加了 CNS 病毒的數(shù)量。

總的來說，顯示 HIV 整合位點細(xì)胞類型特異性差異的研究數(shù)據(jù)可以支持下一代 HIV 治愈療法的開發(fā)。