单细胞测序—PBMC注释的细胞类型

2024-08-15 11:39:37 浏览数 (2)

单细胞测序—PBMC注释的细胞类型

刚开始做单细胞测序的下游分析时，常用的是官方文档提供的pbmc3K数据集，但是我对注释出来的细胞类型缺乏相应的背景知识，对单细胞测序背后的生物学意义也很模糊，这里首先对pbmc3K数据集注释出来的细胞类型进行简单的梳理。

1 外周血与PBMC

1.1 外周血

外周血（Peripheral Blood）是循环系统中的血液，负责将氧气、营养物质、废物和免疫细胞运输到身体各个部位。外周血的组成包括血浆和血细胞两大部分。以下是对外周血各组成成分的详细介绍：

血浆（Plasma）

血浆是血液中液体部分，占血液总体积的约55%。它是透明的淡黄色液体，主要成分包括水、蛋白质、电解质、营养物质、废物和其他分子。

血细胞（Formed Elements）

血细胞占血液总体积的约45%，包括红细胞、白细胞和血小板。

（1）红细胞（Erythrocytes）

  • 红细胞是血液中数量最多的细胞，呈双凹圆盘状，无细胞核。
  • 正常成年人每微升血液中约有450万至600万个红细胞。

（2）白细胞（Leukocytes）

白细胞是免疫系统的关键组成部分，负责抵抗感染和外来病原体。白细胞根据其形态和功能进一步分为几种类型：

  • 中性粒细胞（Neutrophils）：占白细胞的50-70%，主要功能是吞噬和消灭细菌和真菌，是急性炎症反应的主要细胞。
  • 淋巴细胞（Lymphocytes）：占白细胞的20-40%，分为T细胞、B细胞和自然杀伤细胞（NK细胞），在适应性免疫和免疫记忆中起关键作用。
  • 单核细胞（Monocytes），占白细胞的3-8%，单核细胞在血液中循环，迁移到组织后分化为巨噬细胞或树突状细胞，参与吞噬和抗原呈递。
  • 嗜酸性粒细胞（Eosinophils），占白细胞的1-4%，主要在寄生虫感染和过敏反应中发挥作用。
  • 嗜碱性粒细胞（Basophils），占白细胞的0.5-1%，参与过敏反应，释放组胺和其他介质。

（3）血小板（Platelets, Thrombocytes）

血小板是骨髓巨核细胞的胞质片段，无细胞核，正常成年人每微升血液中有约15万至45万个血小板。

1.2 PBMC

PBMC（Peripheral Blood Mononuclear Cells，外周血单个核细胞）是外周血中的一种重要细胞群体，由具有单个核的免疫细胞组成。它们是研究免疫系统、疾病机制以及开发免疫疗法的重要工具。其中含多种免疫细胞，能够代表外周血中的免疫状态。

包括淋巴细胞(T细胞、B细胞和NK细胞)，单核细胞，吞噬细胞，树突状细胞和其他少量细胞类型。

PBMC主要包括以下几种细胞类型：

  • T细胞（T Lymphocytes）：
  • 占PBMC的多数（约60-70%）。
  • 分为CD4 T细胞（辅助T细胞）和CD8 T细胞（细胞毒性T细胞）。
  • T细胞在适应性免疫中发挥重要作用，能够直接杀伤感染细胞或调节其他免疫细胞的功能。
  • B细胞（B Lymphocytes）：
  • 占PBMC的约5-10%。
  • 主要负责生产抗体，通过体液免疫应答来中和病原体。
  • 单核细胞（Monocytes）：
  • 占PBMC的约10-20%。
  • 在血液中循环的单核细胞可以迁移到组织中，分化为巨噬细胞或树突状细胞，参与吞噬病原体、清除细胞残骸并呈递抗原。
  • 自然杀伤细胞（NK细胞，Natural Killer Cells）：
  • 占PBMC的5-15%。
  • 作为先天免疫的一部分，NK细胞能够识别并杀死受感染或肿瘤细胞，且不依赖于抗原特异性。

2 PBMC注释的细胞类型

从umap图中看到注释出"Naive CD4 T", "CD14 Mono", "Memory CD4 T", "B", "CD8 T","FCGR3A Mono", "NK", "DC", "Platelet"这9种细胞类型。

2.1 Naive CD4 T、Memory CD4 T、CD8 T

  1. Naive CD4 T 细胞
  • 特征：
    • Naive CD4 T 细胞是初始的、未激活的 T 细胞，来源于胸腺。
    • 它们的表面表达 CD4 分子，以及 T 细胞受体（TCR）和 CD3 复合物。
    • 这些细胞没有接触过其特异性的抗原，因此也没有经过激活或分化。
  • 功能：
    • Naive CD4 T 细胞在初次遇到抗原呈递细胞（例如树突状细胞）所展示的特定抗原时会被激活。
    • 激活后，Naive CD4 T 细胞经历克隆扩增，增殖成大量同源细胞，并分化为多种效应 T 细胞亚型，例如 Th1、Th2、Th17 和 Treg 细胞，每种亚型在不同的免疫反应中发挥特定作用。
    • 这些细胞在启动和协调适应性免疫反应中起核心作用。
  • 迁移与存活：
    • Naive CD4 T 细胞主要在二级淋巴器官（如淋巴结和脾脏）中循环，等待遇到它们特异性的抗原。
    • 在这些器官中，它们与抗原呈递细胞相遇并可能被激活。
  1. Memory CD4 T 细胞
  • 特征：
    • Memory CD4 T 细胞是由 Naive CD4 T 细胞在首次接触抗原后分化而来的。
    • 这些细胞分为两类：中央记忆细胞（Central Memory T cells, T_CM）和效应记忆细胞（Effector Memory T cells, T_EM）。
    • 中央记忆 T 细胞（T_CM）主要存在于淋巴组织中，表达 CCR7 和 CD62L，这些分子有助于它们在淋巴组织中的循环。
    • 效应记忆 T 细胞（T_EM）则主要在外周组织中循环，不表达 CCR7 和 CD62L，但具有快速响应的能力。
  • 功能：
    • Memory CD4 T 细胞在再次接触到相同抗原时能够迅速增殖并产生效应反应，从而提供快速和增强的免疫反应。
    • 这些细胞的存在是疫苗接种和二次免疫反应的重要基础。
  • 长寿与存活：
    • Memory CD4 T 细胞比 Naive T 细胞具有更长的寿命，可以在体内存活数年甚至数十年。
    • 它们通过周期性自我更新保持种群的稳定性。
  1. CD8 T 细胞
  • 特征：
    • CD8 T 细胞，也称为细胞毒性 T 淋巴细胞（Cytotoxic T Lymphocytes, CTLs），表面表达 CD8 分子，以及 T 细胞受体（TCR）。
    • CD8 分子与 MHC I 类分子结合，使这些细胞能够识别和杀伤呈现内源性抗原（如病毒感染的细胞或肿瘤细胞）的靶细胞。
  • 功能：
    • 激活的 CD8 T 细胞通过识别由 MHC I 类分子呈递的特异性抗原，在效应阶段，它们会直接杀伤靶细胞。
    • 杀伤机制包括释放穿孔素和颗粒酶，这些分子能破坏靶细胞膜并引发细胞凋亡。
    • 除了直接杀伤外，CD8 T 细胞还能分泌细胞因子（如 IFN-γ），增强免疫反应。
  • 分化与记忆：
    • 在初次抗原接触后，CD8 T 细胞经历克隆扩增并分化为效应 CD8 T 细胞，这些效应细胞在消灭病原体后，大部分会凋亡，但一部分会成为记忆 CD8 T 细胞。
    • 记忆 CD8 T 细胞可以在体内长期存活，并在再次遇到相同病原体时快速响应。

这三类 T 细胞在体内的免疫反应中发挥着互补且至关重要的作用，保障了人体的免疫防御功能。

2.2 B

B细胞（B Lymphocytes）是适应性免疫系统中的关键细胞类型，主要负责体液免疫反应。它们通过产生抗体来中和病原体，并在免疫记忆中发挥重要作用。以下是对B细胞及其更细致分类的详细介绍：

B细胞可以根据其发育阶段、功能和表面标志分为不同亚型。以下是B细胞的几种主要分类：

（1）B-1 细胞

  • B-1细胞是B细胞中的一类独特群体，主要存在于腹腔和胸腔中。
  • 表面标志为CD5 （B-1a 细胞）或CD5-（B-1b 细胞）。
  • 它们在胚胎期发育，具有独特的自我更新能力。

（2）B-2 细胞

B-2细胞是常规B细胞，存在于大多数淋巴组织和血液中。它们进一步细分为以下几种类型：

（a）边缘区B细胞（Marginal Zone B Cells, MZ B Cells）

（b）滤泡B细胞（Follicular B Cells, FO B Cells）

（3）浆细胞（Plasma Cells）

（4）记忆B细胞（Memory B Cells）

B细胞通过其多样化的亚型在免疫系统中发挥多重作用，既能够在初次抗原暴露时提供防御，又能在后续的免疫反应中记忆和加速响应，确保体内免疫系统的精确性和有效性。

2.3 单核细胞、CD14 Mono、FCGR3A Mono

单核细胞（Monocytes）是外周血中的一种重要白细胞，属于先天免疫系统的组成部分。它们在炎症反应、抗感染和组织修复中发挥关键作用。以下是单核细胞及其亚型 CD14 单核细胞和 FCGR3A 单核细胞的详细介绍：

  1. 单核细胞（Monocytes）
  • 特征：
    • 单核细胞是最大的白细胞，具有较大的不规则形状的细胞核，通常呈豆形或马蹄形。
    • 它们占外周血白细胞的约5-10%。
    • 单核细胞起源于骨髓，由单核祖细胞（monoblasts）分化而来。
  • 功能：
    • 吞噬作用：单核细胞是强大的吞噬细胞，能够吞噬并消化病原体、受损细胞和细胞碎片。
    • 抗原呈递：它们可以处理并呈递抗原给 T 细胞，从而启动适应性免疫反应。
    • 分化潜能：在进入组织后，单核细胞可以分化为不同类型的巨噬细胞或树突状细胞，执行更专业的功能。
    • 炎症反应：单核细胞在受到炎症因子的刺激时可以迁移到感染或损伤部位，释放各种炎症介质，如细胞因子，来调控免疫反应。
  • 迁移与组织驻留：
    • 单核细胞在血液中循环时间较短（约1-3天），之后迁移到组织中，分化为巨噬细胞或树突状细胞，成为组织驻留的免疫细胞。
  1. CD14 单核细胞（CD14 Mono）
  • 特征：
    • CD14 单核细胞是单核细胞的一种主要亚型，其表面高表达 CD14 分子（CD14 是一种内毒素受体，也称为 LPS 受体）。
    • CD14 是一种模式识别受体（PRR），能够识别病原体相关分子模式（PAMPs），特别是细菌脂多糖（LPS）。
  • 功能：
    • 高效吞噬：CD14 单核细胞擅长吞噬病原体，并在感染部位快速反应。
    • 炎症反应调节：这些细胞能够分泌大量的炎症介质（如 TNF-α、IL-1β 和 IL-6），调控炎症反应和免疫细胞的募集。
    • 抗原呈递：CD14 单核细胞能有效处理和呈递抗原给 T 细胞，启动适应性免疫反应。
  • 在疾病中的作用：
    • CD14 单核细胞在多种炎症性疾病中起重要作用，包括感染性疾病、动脉粥样硬化和自身免疫性疾病。
  1. FCGR3A 单核细胞（FCGR3A Mono）
  • 特征：
    • FCGR3A 单核细胞，通常也称为 CD16 单核细胞，是单核细胞的另一种亚型，表面表达 Fc γ 受体 IIIA（FCGR3A），即 CD16。
    • 这些细胞通常占单核细胞总数的10%左右。
    • CD16 是一种低亲和力的 Fc 受体，可以与免疫复合物结合，参与抗体依赖的细胞介导的细胞毒性（ADCC）。
  • 功能：
    • 促炎作用：与 CD14 单核细胞相比，FCGR3A 单核细胞更具促炎特性，能够分泌更多的促炎细胞因子，如 TNF-α 和 IL-1β。
    • 组织修复和重塑：这些细胞参与组织损伤后的修复和重塑过程。
    • 清除免疫复合物：通过其表面的 FCGR3A 受体，FCGR3A 单核细胞能够结合免疫复合物，并参与其清除，从而避免免疫复合物沉积引发的炎症。
    • 抗体依赖的细胞毒性：FCGR3A 单核细胞能够介导抗体依赖的细胞毒性（ADCC），在肿瘤免疫和抗病毒免疫中发挥作用。
  • 在疾病中的作用：
    • FCGR3A 单核细胞在多种慢性炎症性疾病和感染性疾病中被发现与病理过程有关，特别是在炎症性肠病（IBD）、系统性红斑狼疮（SLE）和肿瘤环境中。

这些单核细胞及其亚型在人体的免疫防御、炎症反应和组织修复中具有互补而又各自特定的功能。CD14 和 FCGR3A 单核细胞表现出不同的表型和功能特性，使得它们在不同的生理和病理条件下扮演不同的角色。

2.4 DC细胞与NK细胞

树突状细胞（Dendritic Cells, DCs）和自然杀伤细胞（Natural Killer Cells, NK Cells）是免疫系统中两种关键的细胞类型。它们在先天免疫和适应性免疫中都扮演着重要角色。以下是对这两类细胞的详细介绍：

  1. 树突状细胞（Dendritic Cells, DCs）
  • 特征：
    • 树突状细胞是一类形态复杂的抗原呈递细胞，具有多分支的树突状结构，有助于与周围环境中的病原体和其他细胞相互作用。
    • DCs 可以在体内的多个组织中找到，尤其是在皮肤、粘膜和淋巴结中。
  • 分类：
    • 常规树突状细胞（cDCs）：主要负责抗原捕获和呈递，分为cDC1和cDC2亚型，前者在抗病毒免疫中重要，后者与细菌和真菌感染相关。
    • 浆细胞样树突状细胞（pDCs）：主要参与抗病毒免疫，能够快速产生大量的I型干扰素（如IFN-α）。
  • 功能：
    • 抗原捕获与处理：DCs在感染部位捕获病原体或其成分，通过吞噬、胞饮或内吞作用将它们摄取到细胞内部。
    • 抗原呈递：DCs通过加工抗原并将其以肽片段的形式加载到主要组织相容性复合物（MHC）分子上，呈递给T细胞。DCs通过MHC I类分子呈递内源性抗原（如病毒抗原），通过MHC II类分子呈递外源性抗原（如细菌和寄生虫抗原）。
    • 激活T细胞：DCs在迁移到淋巴结后，能够激活Naive T细胞，使其分化为效应T细胞。DCs提供三种信号来激活T细胞：MHC-抗原复合物（信号1）、共刺激分子（信号2）和细胞因子（信号3）。
    • 免疫调节：DCs不仅能激活免疫反应，还能通过分泌抗炎性细胞因子如IL-10，参与免疫耐受的维持，防止过度的免疫反应和自身免疫性疾病的发生。
  • 迁移与成熟：
    • DCs在捕获抗原后，通常会从外周组织迁移到附近的淋巴结。在迁移过程中，DCs经历成熟过程，表现出增强的抗原呈递能力，并开始表达更多的共刺激分子。
  1. 自然杀伤细胞（Natural Killer Cells, NK Cells）
  • 特征：
    • 自然杀伤细胞是一种淋巴细胞，但与T细胞和B细胞不同，NK细胞属于先天免疫系统。
    • NK细胞具有颗粒状细胞质，内含穿孔素和颗粒酶等细胞毒性物质。
  • 功能：
    • 直接杀伤：NK细胞能够识别和杀伤没有MHC I类分子表达或表达水平降低的靶细胞，这些靶细胞包括病毒感染细胞和肿瘤细胞。NK细胞通过释放穿孔素和颗粒酶来诱导靶细胞凋亡。
    • 抗体依赖的细胞介导的细胞毒性（ADCC）：NK细胞通过其表面的CD16（FcγRIII）受体识别结合在靶细胞表面的抗体，从而杀伤被抗体标记的靶细胞。
    • 免疫调节：NK细胞还能通过分泌细胞因子如IFN-γ，调控其他免疫细胞的功能，特别是增强巨噬细胞和DCs的抗微生物和抗肿瘤活性。
  • 活化与抑制：
    • NK细胞的活化由一系列活化和抑制受体调控。当活化信号超过抑制信号时，NK细胞被激活，从而杀伤靶细胞。MHC I类分子的表达通常通过抑制NK细胞来保护正常细胞。
  • 在疾病中的作用：
    • NK细胞在病毒感染早期和肿瘤免疫监视中扮演重要角色。它们可以识别并杀伤由于病毒感染或癌变而发生异常的细胞。
    • 在某些情况下，NK细胞的功能异常可能与自身免疫疾病或慢性炎症有关。

树突状细胞和自然杀伤细胞通过不同的机制在先天和适应性免疫系统中发挥作用。DCs主要负责抗原呈递和T细胞激活，启动并调节免疫反应；而NK细胞则通过直接杀伤异常细胞和调控其他免疫细胞，在体内维持免疫监视和防御功能。

3 问题解答

1.DC细胞来源于单核细胞吗?

是的，树突状细胞（Dendritic Cells, DCs）的一部分确实来源于单核细胞，尤其是在炎症和感染的条件下。这些DCs通常被称为单核细胞来源的树突状细胞（Monocyte-Derived Dendritic Cells, Mo-DCs）。

2.NK细胞与T细胞的亲缘关系更近吗？

NK细胞（自然杀伤细胞，Natural Killer Cells）和T细胞（T Lymphocytes）都是来源于骨髓中的造血干细胞，并且都属于淋巴细胞的亚群，因此在发育起源上它们具有一定的亲缘关系。然而，尽管它们在一些功能上有相似之处，它们的发育途径和功能特性存在显著差异。

  1. 发育起源和分化
  • T细胞：
  • T细胞从骨髓中的造血干细胞分化而来，迁移到胸腺中进一步发育成熟。在胸腺中，T细胞接受正选择和负选择，以确保其能够识别抗原并避免对自体组织产生反应。
  • 成熟的T细胞包括CD4 辅助性T细胞和CD8 细胞毒性T细胞，它们在适应性免疫中发挥关键作用。
  • NK细胞：
  • NK细胞也是从骨髓中的造血干细胞分化而来，但其发育不依赖于胸腺，而是在骨髓、淋巴结、脾脏等组织中成熟。
  • NK细胞属于先天免疫系统的一部分，能够不依赖于抗原呈递直接识别和杀伤病毒感染的细胞和肿瘤细胞。

4 PBMC细胞类型中典型的基因表达

需要背诵

markers.txt

代码语言：r复制
a = read.delim("../supp/markers.txt",header = F)
gt = split(a[,2],a[,1]) #unstack(a[,c(2,1)])

DotPlot(pbmc, features = gt,cols = "RdYlBu")  
  RotatedAxis()
代码语言：r复制
new.cluster.ids <- c("Naive CD4 T", 
                     "CD14  Mono", 
                     "Memory CD4 T",
                     "B", 
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                     "NK", 
                     "DC", 
                     "Platelet")

names(new.cluster.ids) <- levels(pbmc)
seu.obj <- RenameIdents(pbmc, new.cluster.ids)
p1 <- DimPlot(seu.obj, 
        reduction = "umap", 
        label = TRUE, 
        pt.size = 0.5)   NoLegend()
数据挖掘 生物基因

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