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Nature子刊:康复后仍免疫缺陷,新冠病毒对B细胞到底还做了什么?!

更新时间:2021-09-24 19:01:54 点击:目前没有统计

2019年底,一种新型冠状病毒(SARS-CoV-2)被确认为COVID-19严重急性呼吸道感染的病原体。SARS-CoV-2感染患者的临床表现大相径庭,从无症状到危及生命的重症,包括急性呼吸窘迫综合征(ARDS)。所谓的“细胞因子风暴”,即炎症反应的不可控激活,显著促进了ARDS的发生。与触发细胞因子风暴的其他疾病类似,抑制炎症免疫反应可能改善严重SARS-CoV-2感染的结局。目前的证据表明,与健康个体相比,COVID-19患者血清代谢成分发生了显著变化,并与疾病严重程度相关。而代谢环境,如葡萄糖浓度的变化、短链脂肪酸的获取、氧气供应等影响B细胞的生存、激活和分化。因此,COVID-19患者中特定的代谢环境或会改变B细胞生物学,同时B细胞在COVID-19疾病进展也发挥着多种作用。

本研究旨在评估COVID-19患者B细胞的信号特性,并通过分析从COVID-19患者获得的血清代谢成分,确定特定代谢物丰度的变化如何影响B细胞受体信号。

1、SARS-CoV-2感染改变了康复患者的免疫表型和B细胞功能

特异性B细胞亚群在抗病毒体液免疫中发挥关键作用。为了研究SARS-CoV-2感染是否影响B细胞免疫表型,我们首先检测了幼稚B细胞(CD27 - IgD+)、非典型(CD27 - IgD -)、切换(CD27+IgD -)和未切换(CD27+IgD+)记忆B细胞、过渡B细胞(CD38+CD24hi)和浆原细胞(PBC,CD38+CD24−)。在静息阶段,健康对照组和康复患者有相似的B细胞群,但与健康对照组相比,患者PBC频率显著增加。

为检测B细胞对bcr依赖信号的应答,我们用F(ab’)2抗人Ig(M + G)抗体刺激B细胞24小时。但与静息状态相比,非典型性记忆B细胞的细胞数量增加(图1a-e)。与静息状态相比,患者受刺激的未切换记忆B细胞频率降低,但健康对照组无变化(图1a, c)。有趣的是,BCR信号通路的关键调节因子CD19的表达,与健康对照组相比,康复患者的总B细胞和几乎所有B细胞亚群均显著减少(图1f)。然而与健康对照组相比,康复患者B细胞的CD19 mRNA表达无变化(图1g)。免疫荧光实验显示,与未感染(模拟)小鼠相比,感染SARS-CoV-2小鼠脾脏CD19的表达明显降低(图1h, i)。这些结果提示SARS-CoV-2感染可能通过抑制CD19的表达改变B细胞的免疫表型和功能。

 

2、SARS-CoV-2感染改变康复患者的BCR信号和b细胞代谢

CD19是BCR信号转导、b细胞发育和体液免疫反应的关键调控因子。与健康对照组相比,患者B细胞中总CD19、磷酸化CD19和磷酸化Btk水平显著降低(图2a)。CD19是抗ig (M + G)刺激细胞中PI3K信号通路的重要激活因子,检测抗ig (M + G)刺激的B细胞对PI3K及其下游信号的激活情况时,与健康对照组相比,患者B细胞中磷酸化的PI3K、Akt、FoxO1、S6和mTOR显著降低(图2b)。由于PI3K信号是b细胞代谢的主要调节因子和氧化还原信号,我们推测SARS-CoV-2感染改变了b细胞代谢。活性氧(ROS)产生异常可导致正常和生发中心B细胞存活受损,线粒体ROS抑制体液免疫反应。与未处理的患者B细胞相比,抗氧化剂处理后的患者B细胞上的CD19和pBtk水平显著升高(图2c)。

为了评估COVID-19患者B细胞的氧化还原状态,我们用F(ab’)2抗人Ig(M + G)刺激患者和健康对照的B细胞,测定总ROS生成量。结果发现患者B细胞比健康对照组产生更多ROS(图2d)。线粒体复合物III是缺氧诱导ROS产生和细胞氧感知所必需的。与健康对照组相比,患者B细胞中的线粒体肿胀增加(图2e)。内质网(ER)稳态要通过调节线粒体钙水平塑造b细胞代谢和代谢应激反应来维持。与健康对照组相比,患者B细胞ER和MITO的MFI在0和5 min显著升高,但在30 min时下降(图2f-i)。此外,与健康对照组相比,在整个b细胞激活过程中,BCR与ER或MITO之间的共定位显著降低(图2j-k)。我们还发现,与健康对照组相比,患者B细胞ER和MITO的共定位在0、5和30分钟显著降低(图2l)。这些结果表明SARS-CoV-2感染可能改变b细胞代谢活性,增加ROS的产生,从而降低CD19的表达和bcr依赖的信号转导。

3、SARS-CoV-2感染改变了B细胞的血清代谢产物谱和转录组谱

新冠肺炎康复患者血清中l -精氨酸、l -谷氨酸、l -异亮氨酸、l -胱氨酸和l -半胱氨酸水平显著降低。与健康对照组相比,康复的COVID-19患者血清中谷氨酸和半胱氨酸的水平显著降低。检测康复的COVID-19患者和健康对照组之间的B细胞转录组差异,发现与健康对照组相比,48个基因表达显著下降调控,10个基因表达显著上调(图3f)。KEGG功能富集分析,发现分化基因/代谢基因共富集了20个通路,其中大部分是代谢信号通路,尤其是氨基酸合成和代谢(图3g)。最后,利用KEGG识别基因和代谢物的代谢途径,发现健康对照组与康复患者之间有30条代谢途径存在显著差异(图3h)。在转录组中,长寿调控途径-多物种、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成、新霉素、卡那霉素和庆大霉素生物合成、碳代谢和雌激素信号通路富集程度较高(图3h)。在代谢组中,嘌呤代谢和碳代谢富集程度较高(图3h)。对各差异分组中检测到的基因和代谢物进行相关性分析,Pearson相关系数 >0.8。以上结果均提示SARS-COV-2可能通过这些途径改变b细胞代谢。综上所述,SARS-CoV-2感染可能通过改变B细胞的代谢组和转录组谱来影响BCR信号通路。

4、SARS-CoV-2感染通过影响B细胞的早期激活改变BCR信号通路

在B细胞扩散方面,与健康对照组的原始B细胞和记忆B细胞相比,患者初始B细胞在激活3 min时接触面积减少,激活5min时患者记忆B细胞接触面积明显减少(图4a-c)。对于总BCR信号,与健康对照组的未感染B细胞和记忆B细胞相比,患者未感染B细胞和记忆B细胞在3和5分钟时pY的MFI显著降低(图4a, B, d)。与健康对照组的幼稚B细胞和记忆B细胞相比,BCRs的MFI在3和5分钟显著降低(图5a-c)。

此外,与健康对照组的未感染B细胞和记忆B细胞相比,未感染B细胞和记忆B细胞激活后5分钟pSHIP的MFI显著降低(图5a, B, d)。对于CD19的激活,与健康对照组的未感染B细胞和记忆B细胞相比,患者未感染B细胞和记忆B细胞中pCD19的MFI在3和5分钟显著降低(图6a-c)。这些结果表明,SARS-CoV-2感染通过抑制幼稚B细胞和记忆B细胞的早期激活改变了BCR信号通路。

本研究通过转录组和代谢研究,发现与代谢和代谢产物相关的基因表达失调,并且康复患者B细胞ROS增加,说明康复患者B细胞代谢增加。有趣的是,使用抗氧化剂可部分挽救康复患者的CD19表达。

此外,我们发现感染SARS-CoV-2小鼠的脾脏中CD19的表达也减少,或可认为CD19的表达也可能在感染患者中降低。在轻度和重度感染患者中检测CD19的表达和B细胞的代谢状态值得关注。此外,CD19表达与B细胞不同代谢状态之间的相关性值得研究。更令人兴奋的是,纠正B细胞中增加的ROS挽救了CD19的表达和BCR信号,这可能纠正了康复患者的免疫状态。目前尚不清楚CD19表达降低的康复患者是否更容易再次感染SARS-CoV-2,如果这是真的,代谢调节剂如NAC有临床预防康复患者的二次感染的应用潜力。虽然发现CD19表达降低,但在康复患者B细胞中CD19 mRNA水平没有变化,这表明SARS-CoV-2感染可能降低了CD19的表达转录后翻译时期的水平。我们也从RNA-Seq检测了BCR信号通路中的几个分子,但没有发现健康对照与患者之间BCR信号通路中CD19 mRNA和分子的差异。这或是BCR信号通路没有出现在KEGG富集的信号通路中的原因。

细菌和真菌感染是病毒性肺炎患者的常见并发症,并导致死亡率增加。分析COVID-19患者B细胞的信号特性有助于评估COVID-19感染是否会使患者更容易感染其他疾病,也能更好地理解患者血清中的代谢异常如何影响b细胞信号,可能会启发针对特定代谢途径的新治疗策略的开发。改变细胞代谢和氧化还原状态的不同化合物目前正在临床前和临床研究中进行测试,用于治疗自身免疫性疾病,或许也能用来抑制病毒感染期间过度活跃的免疫反应。

 

原文来源:

Jing et al.SARS-CoV-2 infection causes immunodeficiency in recovered patients by downregulating CD19 expression in B cells via enhancing B-cell metabolism.

Signal Transduction and Targeted Therapy (2021) 6:345 ; https://doi.org/10.1038/s41392-021-00749-3

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