Einzelzell-Daten enthüllen die Komplexität der Immunantworten auf SARS-CoV-2

Die klinischen Ergebnisse von SARS-CoV-2 zeigen erhebliche Unterschiede zwischen Individuen, wobei Risikofaktoren fortgeschrittenes Alter, männliches Geschlecht, Begleiterkrankungen und genetische Faktoren des Wirts umfassen, wie durch bestehende Forschung unterstützt wird.

Um den Einfluss der natürlichen Selektion und der historischen Genom-Mischung auf die Immunantwort auf SARS-CoV-2 zu verdeutlichen, wurde eine umfassende Studie durchgeführt. Das Forschungsteam stellte eine Kohorte von 220 Personen zusammen, die verschiedene Geschlechter und ethnische Hintergründe umfassten. Diese Personen unterzogen sich einer Einzelzell-Sequenzierung des peripheren Blutes, die Infektionen mit SARS-CoV-2 und dem Influenza-A-Virus sowie passende Kontrollpersonen umfasste. Dies ergab einen robusten Datensatz von einer Million hochwertigen Einzelzell-Transkriptomen, der 22 verschiedene Zelltypen im Knochenmark sowie B-Zellen, CD4+ T-Zellen, CD8+ T-Zellen und natürliche Killerzellen (NK-Zellen) im Immunprofil enthüllte. Anschließend untersuchte die Studie sorgfältig die unterschiedlichen Auswirkungen genetischer Variation und natürlicher Selektion auf Immunantworten durch eine eingehende Analyse von eQTL (expression quantitative trait loci) und den Dynamiken der natürlichen Selektion. Die Ergebnisse dieser bahnbrechenden Forschung wurden veröffentlicht in Natur.

Populationsreaktionen einzelner Zellen auf SARS-CoV-2 und IAV. (Aquino et al., 2023)

Zelluläre Heterogenität bei latenter Zytomegalovirus-Infektion variiert über verschiedene genetische Hintergründe hinweg.

Signifikante Unterschiede in der Zellzusammensetzung wurden zwischen verschiedenen genetischen Hintergrundkohorten beobachtet, wobei insbesondere NK-Zellen hervortraten. Bemerkenswerterweise machte eine Untergruppe von gedächtnisähnlichen NK-Zellen 55,2 % der NK-Zellpopulation bei Personen afrikanischer Abstammung aus, während der Anteil bei Europäern nur 12,2 % betrug. Darüber hinaus wiesen afrikanische Spender höhere Anteile an CD16+ Monozyten und Subpopulationen von Gedächtnislymphozyten auf, einschließlich Gedächtnis-B-Zellen, Effektor-CD4+ T-Zellen und Effektor-Gedächtnis-CD45RA-wiederexprimierenden CD8+ T-Zellen.

Die treibende Kraft hinter diesen Veränderungen in den Zellfraktionen wurde jedoch nicht genetischen Faktoren zugeschrieben, sondern vielmehr mit einer latenten Cytomegalovirus (CMV)-Infektion in Verbindung gebracht. Die Forscher überprüften den CMV-Serostatus (CMV+/-) der Proben und stellten fest, dass Personen afrikanischer Abstammung überwiegend CMV+ (99%) waren, im Gegensatz zu nur 31% der Europäer. Der CMV+-Status war mit einem höheren Anteil an gedächtnisähnlichen NK-Zellen und CD8+ EMRA T-Zellen bei Europäern korreliert.

Die Muster der Genexpression wiesen ebenfalls Variationen zwischen den Populationen auf, wobei 898 und 652 Gene unterschiedliche Reaktionen nach der Stimulation mit SARS-CoV-2 bzw. dem Influenza-A-Virus (IAV) zeigten. Beispielsweise waren sowohl das IFN-reaktive GBP7 als auch das Gen, das das Makrophagen-Entzündungsprotein MIP-3 CCL23 kodiert, bei Europäern signifikant stärker hochreguliert. Bemerkenswert ist, dass das CCL23-Gen eine myeloidzell-spezifische Hochregulation als Reaktion auf die SARS-CoV-2-Stimulation zeigte.

Die zelluläre Zusammensetzung beeinflusst die transkriptionalen Reaktionen auf virale Stimuli. (Aquino et al., 2023)

Die natürliche Selektion hat einen signifikanten Einfluss auf die Variationen in den Immunantworten von Populationen.

Eine umfassende Analyse ergab die Anwesenheit von 1.616 eQTLs (assoziiert mit 1.215 Genen) und 180 reQTLs (bezogen auf 166 Gene), die mithilfe von Populationsverzweigungsstatistiken (PBS) identifiziert wurden. Diese Untersuchung zielte darauf ab, Verbindungen zwischen (r)eQTLs und genomweit lokalisierten adaptiven Signalen aufzudecken, wobei 90 Fälle spezifisch für bestimmte Abstammungsgruppen waren.

Unter den Genen, die mit adaptiven (r)eQTLs assoziiert sind, identifizierten Forscher Schlüsselspieler in der interferonvermittelten antiviralen Immunität. In afrikanischen Populationen wurden Gene wie DHX58 und TRIM14 hervorgehoben, während bei Europäern ISG20, IFIT5, BST2 und IFITM2-3 von Bedeutung waren. Ostasiaten hingegen zeigten Relevanz in IFI44L und IFITM2.

Die Studie entdeckte Signale schneller Anpassung, die auf dieselben (IFITM2, IFIT5) oder unterschiedliche (ISG20, IFITM3, TRIM14) eQTLs innerhalb hoch differenzierter Gene abzielten. Dies deutet auf das Vorhandensein von doppelten Anpassungen als Reaktion auf interferonvermittelte antivirale Immunität hin. Besonders bemerkenswert ist, dass 34 % der genetisch bestimmten unterschiedlich exprimierten Gene in afrikanischen und europäischen Populationen Signale schneller Anpassung im europäischen genetischen Kontext aufwiesen.

Darüber hinaus beobachteten die Forscher durch den Vergleich dieser Ergebnisse mit alten Neandertaler-Varianten, dass alte Haplotypen 1,4-1,5-mal wahrscheinlicher die Genexpression im europäischen Vorfahrenzustand beeinflussten, sowohl vor als auch nach der Exposition gegenüber SARS-CoV-2 oder IAV-Stimulation. Bemerkenswerterweise war diese Anreicherung am ausgeprägtesten in SARS-CoV-2-stimulierten CD16+-Monozyten von Europäern, was auf eine Präferenz für die Beibehaltung alter Haplotypen hinweist, die myeloide Reaktionen in ihrem Genom modifizieren. Diese Beobachtung unterstreicht die adaptive Natur der regulatorischen Allele der Neandertaler.

Natürliche Selektionseffekte auf die Populationsdifferenzierung von Immunantworten. (Aquino et al., 2023)

Differenzielle Expression und populationsspezifische Effekte, die potenziell durch genetische Faktoren bedingt sind

Durch die Nutzung von eQTLs zeigte unsere Analyse die Identifizierung von 9.150 eQTL-Loci, die mit 5.198 unterschiedlichen Genen assoziiert sind, von denen 11 % geschlechtsspezifische Muster aufwiesen. Unter diesen wiesen 812 eQTLs eine Zelltyp-Spezifität auf, wobei 45 % von ihnen überwiegend in myeloiden Zellen nachgewiesen wurden. Darüber hinaus identifizierten wir 1.505 viralen Stimulus-antwort Varianten, bekannt als reQTLs, die mit 1.213 Genen verbunden sind. Bemerkenswert ist, dass die genetischen Grundlagen der myeloiden Antwort virale Spezifität aufwiesen, mit Variationen zwischen Zellpopulationen.

Unsere Untersuchung zu interpopulationell unterschiedlich exprimierten Genen und differentiellen Effektgenen zeigte, dass 56 % bzw. 60 % von ihnen mit mindestens einem eQTL assoziiert waren. Dies deutet darauf hin, dass die Gene, die die signifikantesten populationsbasierten Variationen in der differentiellen Expression und den Effekten aufweisen, wahrscheinlich durch genetische Kontrolle beeinflusst werden, die oft mit Substanzeffekt-loci verbunden ist. Dies hebt die Existenz von Populationsunterschieden in spezifischen Untergruppen von Genen hervor. Zum Beispiel fanden wir zwischen Afrikanern und Europäern, dass eine einzelne Variante mit starker Populationsdifferenzierung 81-100 % der Variation in der GBP7-Expression erklären konnte.

eQTLs und reQTLs tragen zum Risiko von COVID-19 bei. (Aquino et al., 2023)

Der Artikel bietet wertvolle Einblicke in die Faktoren, die die Variationen der Immunantworten zwischen Individuen und Populationen beeinflussen. Dies wird erreicht, indem Einzelzell-Daten aus verschiedenen genetischen Hintergründen genutzt werden, um die umweltbedingten, genetischen und evolutionären Treiber dieser Variationen zu beleuchten. Diese innovative Anwendung der Einzelzellmethodik in den Bereichen Populationsgenetik und Immunität unterstreicht ihre tiefgreifende Bedeutung für das Erfassen der gesamten Vielfalt innerhalb dieser Bereiche.

Referenz:

1. Aquino, Yann, et al. "Die Analyse der menschlichen Populationsvariation in Einzelzellreaktionen auf SARS-CoV-2." Natur (2023): 1-9.