2020年的一篇nature，感觉很有意义也挺有意思的一篇多组学文章。
哺乳动物的免疫系统可以有效应对病原体感染。它的主要成分是haematopoietic immune cells，包括控制固有免疫的髓系细胞和组成适应性免疫的淋巴细胞。但是机体的免疫功能并不局限于造血细胞，其他的多种细胞也拥有基本的病原防御机制。为了进一步了解造血系统之外的细胞的免疫机制，作者系统性探究了包括上皮细胞，内皮细胞和成纤维细胞在内的三种主要的结构细胞的免疫基因调控。作者使用cellular phenotyping, transcriptome sequencing, chromatin accessibility profiling和epigenome mapping在小鼠的12种器官描述了这些细胞的特征。这些综合性的数据揭示了结构细胞中免疫基因复杂的活化和调节。观测到的模式是具有高度器官特异性的而且似乎调解着结构细胞和造血免疫细胞的广泛互作。此外，作者鉴定出了组织稳态下结构细胞表观编码的免疫潜能，这可能触发系统性应对病毒感染的反应。
这个研究强调了非造血结构细胞存在广泛的和器官特异的复杂免疫基因活化，提供了小鼠结构细胞调节的高分辨率多组学的表观和转录图谱。
网站： https://medical-epigenomics.org/papers/krausgruber2020/
1. Mapping structural cells across organs
为了探究结构细胞中的免疫基因调节，作者对12个器官（脑，盲肠，心脏，肾脏，大肠，肝，肺，淋巴结，皮肤，小肠，脾和胸腺）的上皮细胞 (哺乳动物的大多数组织和器官shaped by epithelial cells，构成内层和外层表面和屏障)，内皮细胞 (构成血管) 和成纤维细胞 (提供connective tissue) 进行了多组学分析，包括RNA-seq得到基因表达谱，ATAC-seq得到染色质可及性和Chip-seq研究研究基于组蛋白H3K4me2的启动子和增强子相关抗体的表观遗传谱。
Fig 1A：流式分选了12个器官的上皮细胞 (EpCAM+)，内皮细胞 (CD31+, GP38-) 和成纤维细胞 (GP38+, CD31-)，进行了RNAseq，CHIP-seq和ATAC-seq。
Fig 1B：三种结构细胞在12个器官中都有检测到，但是频率具有较大差异。
Fig 1C：流式检测了12个器官中三类细胞其他marker的表达（验证细胞纯度？）
Fig 1D E：相同的器官不同结构细胞的表达谱和不同的器官同样的结构细胞表达谱相比，整体上更相似。提示组织和器官的环境对器官特异性的结构细胞的基因表达具有重要作用。
小结：Our multi-omics profiles for endothelium, epithelium and fibroblasts across 12 mouse organs thus uncover a marked degree of organ-specific differences among structural cells.
2. Immune gene activity in structural cells
基于RNAseq的数据，作者探究了结构细胞的免疫基因活性。
Fig 2A：作者基于已知的受体-配体推断潜在的细胞交流网络来评估结构细胞和造血免疫细胞 (NK细胞，T细胞，单核细胞，B细胞和巨噬细胞) 互作的能力。右面的网络图是稳态下结构细胞和造血细胞的互作频率图。
Fig 2B：细胞类型和器官之间的差异被结构细胞的表面蛋白和分泌因子的特征性表达模式驱动。例如，成纤维细胞的胶原 (Col4a3, Col4a4, Col5a1, Col6a1 and Col12a1) 和补体C3的高表达可以增强它们与造血细胞交互的能力；肠道Muc2和Arg2预示着与巨噬和NK细胞的互作；胸腺上皮的Ccl25的表达促进T细胞成熟。各类结构细胞也存在着相同的炎性介质高表达，如Apoe, S100a8和S100a9。
Fig 2C：作者定量了各种免疫细胞基因模块的整体活性，这些基因集被手动修正以捕获免疫系统的重要组成。结果观测到结构细胞中高度细胞特异性和高度器官特异性的免疫基因模块广泛的激活。
小结：Together, these data reveal widespread activity of immune genes and regulatory modules in structural cells, which are expected to mediate cell-type-specific and organ-specific interactions with haematopoietic immune cells.
3. Regulatory networks in structural cells
4. Epigenetic potential for gene activation
Fig 3A：整合ATAC和CHIP数据
Fig 3B：观测到免疫基因loci上广泛的细胞类型特异的和器官特异的核染色质调节。发现不同细胞类型和器官类型，同一个免疫基因位点其染色质调节情况也不同。当然也存在一类核心免疫基因，如Ifngr1，在不同的细胞和器官中都表现为高度染色质易可及性。
Fig 3C：多种结构细胞的关键转录因子显示出细胞类型特异性和器官类型特异性活性。
表观谱不仅可以捕获细胞调控状态，还可以反映它们应对各种刺激时的潜在反应性。作者因此假设结构细胞中免疫基因的活化，可以对结构细胞做重编程，改变细胞表观遗传谱，从而在应对免疫挑战时作出快速反应。
Fig 3D E：为了评估结构细胞表观编码免疫潜能，作者定量了每个基因promoter的染色质可及性，和对应基因的表达水平做了比较。作者基于染色体开放和基因表达将基因分成了四个profile，发现有一组基因，表达水平低promoter却具有高度的染色质易可及性，提示这些基因具有未被认识到的表达增加的潜能 (这类基因很可能在刺激条件下，表达量迅速升高)。
Fig 3F：和作者的假设一致，结构细胞中具有未被认识的表观潜能的基因大多具有免疫功能。作者一共鉴定出1665个基因符合对unrealized epigenetic potential的定义，其中335个基因annotated with at least one immunological term。
Fig 3G：在比较了不同器官中的基因表达谱和染色质可及性两项指标，作者发现，大脑、盲肠、心脏、肾脏、大肠和皮肤中这两项指标具有高度的正相关性；而与之相反的是肝脏、淋巴结、脾脏和胸腺这些免疫器官中两项指标相关性不高，提示这四类器官具有强大的表观遗传谱变化潜力，从而可以为应对多种外来刺激做好准备。
5. Immune genes induced by viral infection
为了功能性的评估epigenetic potential for immune gene activation，作者使用淋巴细胞性脉络丛脑膜炎病毒 (LCMV)构建了系统性感染模型。
Fig 4A：在小鼠感染了(LCMV)之后的8天之后，取了和前面一样的12个器官，流式分选之后做了RNAseq。
Fig 4B：作者比较了稳态下具有表观潜能的基因在LCMV感染后的差异表达，这些基因确实在LCMV诱导的基因中出现 (left)。为了定量表观潜能预测LCMV诱导基因活化的能力，作者使用ROC曲线展示了已知潜能的百分比against de novo激活基因的百分比 (centre)，并在肝脏，肺和脾脏中发现了强相关 (right)。
Fig 4C：应对系统性LCMV感染的上调的基因富集到多种免疫功能相关通路
小结：Systemic LCMV infection thus triggered widespread activation of immune genes that were lowly expressed but epigenetically poised under homeostatic conditions. These results support our model of an epigenetically encoded potential for immune gene activation in structural cells in the context of viral infection.
6. Cytokine response of structural cells
为了探究单个细胞因子对机体LCMV感染反应的效果，作者对小鼠使用了6个重组的细胞因子(IFNα, IFNγ, IL-3, IL-6, TGFβ和TNF)。细胞因子的选择是基于现有数据和已发表的数据1。而鉴于IL-3对LCMV感染没有已知效果，IL-3被用作对照。
Fig 5A：为了探究炎症信号通路的即时反应，作者在注射了细胞因子之后分选了前面对LCMV反应强烈的四个脏器 (大肠，肝，肺，脾) 中的结构细胞，进行了RNAseq
Fig 5B：作者比较了给细胞因子治疗的和mock治疗小鼠的结构细胞转录变化，揭示出多种细胞因子介导的转录变化。IFNα治疗显示出最强的效果，诱导出已知的干扰素靶标基因和对中抗病毒免疫相关基因。
Fig 5C：在肾脏内皮细胞(highlighted here because of its strong tran- scriptional response to LCMV infection)，IFNγ和IL-6治疗很大一部分解释了LCMV诱导的变化 (top left)，细胞因子诱导的基因包括已知的干扰素靶标基因，转录调节分子比如Nmi和Inpp5d (编码SHIP1)，和促炎基因Piezo1(right)。除了IL3以外的5个细胞因子治疗后的上调基因与具有unrealized epigenetic potential的基因具有重叠。因此，可以知道，这些细胞因子在脾脏内皮中触发了和系统性LCMV感染相似的表现。
Fig 5D：与脾脏不同的是，肝脏成纤维细胞中，应对细胞因子的反应与LCMV感染的反应只有很少出现重叠 (top left)，但是表观潜能仍有强相关性 (bottom left)。细胞因子治疗引起的基因表达与代谢过程(Cmpk2, Pofut2)以及囊泡/细胞膜转运和抗原呈递 (Bloc1s6, H2-Eb1, Rabac1和Sar1a)相关。
因此，细胞因子治疗触发了肝脏成纤维细胞和LCMV感染不同的表观反应。
小结：structural cells responded in cell-type-specific and organ-specific ways to in vivo stimulation with individual cytokines, which allowed us to functionally dissect the effects of systemic LCMV infection and provides further validation of the observed epigenetic potential for immune gene activity in structural cells.
参考文献：
1. CD8+ T cells induce cachexia during chronic viral infection. Nat. Immunol. 20, 701–710 (2019).
