Application du séquençage unicellulaire dans les maladies auto-immunes
Le Projet Génome Humain a été instrumental dans le décodage des mystères de la vie, l’exploration de la pathogenèse des maladies et la fourniture de preuves scientifiques pour le diagnostic et le traitement de diverses conditions. Les méthodes de séquençage traditionnelles ont principalement fourni des informations sur la séquence à l’échelle du génome et une moyenne du mélange des types cellulaires, ce qui ne tient pas compte de l’hétérogénéité entre les cellules et entre les sous-types. Les avancées dans la technologie de séquençage du génome ont conduit au développement du séquençage unicellulaire (SCS), qui comprend le séquençage du génome, du transcriptome et de l’épigénome. Le SCS révèle la structure génétique unicellulaire et l’état d’expression des gènes, découvre les différences dans le matériel génétique et les informations protéiques dans les cellules, et fournit des informations sur les différents stades, fonctions et caractéristiques des cellules.
Pour effectuer le SCS, les cellules individuelles doivent d’abord être isolées de manière à préserver leur intégrité biologique. L’intégrité du génome (ADN ou ARN) doit également être maintenue pendant la lyse cellulaire, ce qui peut être réalisé par des méthodes physiques, chimiques ou par dégradation bioenzymatique. Après la lyse, l’ADN polymérase et les amorces sont utilisés pour amplifier le génome. Enfin, les cellules individuelles sont séquencées, et les résultats sont analysés. La technologie SCS est maintenant largement appliquée dans la recherche immunologique, permettant un diagnostic efficace des maladies auto-immunes, la détermination de la susceptibilité moléculaire de cellules spécifiques et l’identification de cibles thérapeutiques potentielles.
Les maladies rhumatismales courantes qui impliquent principalement les articulations incluent l’arthrose (OA) et la polyarthrite rhumatoïde (RA). L’OA est caractérisée par des dommages marqués au cartilage plutôt que par une inflammation. Le cartilage est composé de chondrocytes, y compris les chondrocytes prolifératifs, préhypertrophiques, hypertrophiques et fibrochondrocytes. Ji et al. ont obtenu 1 464 chondrocytes de dix patients atteints d’OA subissant une arthroplastie du genou et ont utilisé le séquençage ARN unicellulaire pour rapporter les programmes moléculaires et les modèles de progression de la lignée contrôlant la pathogenèse de l’OA. Ils ont identifié sept populations de chondrocytes dans le cartilage humain atteint d’OA, dont trois sont des chondrocytes effecteurs, des chondrocytes régulateurs et des chondrocytes homéostatiques. Les chondrocytes effecteurs sont impliqués dans le métabolisme énergétique. Les chondrocytes régulateurs jouent un rôle important dans la présentation des antigènes et la signalisation des récepteurs des cellules B et T et peuvent agir comme des régulateurs principaux pendant la progression de l’OA. Les chondrocytes homéostatiques expriment des niveaux élevés de marqueurs du rythme circadien humain et de gènes favorables (tels que la période 1 [Per1] et la sirtuine 1 [Sirt1]) qui contrôlent l’horloge circadienne dans la progression de l’OA.
La RA est caractérisée par une hyperplasie synoviale anormale des articulations et une destruction du cartilage et de l’os. Les synoviocytes de type fibroblaste (FLS) et les macrophages jouent un rôle central dans l’inflammation articulaire et la dégradation du cartilage pendant la progression de la RA. Sur la base des motifs de coloration de surface des cellules, du transcriptome et des localisations anatomiques, les cellules peuvent être divisées en sous-ensembles uniques. L’identification de sous-ensembles cellulaires anatomiquement discrets et fonctionnellement distincts avec des fonctions non chevauchantes a été instrumentale pour le développement de thérapies cellulaires dans la RA. L’analyse ARN-seq unicellulaire a été utilisée pour étudier les fibroblastes résidents tissulaires non hématopoïétiques et définir les sous-populations de cellules trouvées dans les tissus pathologiques, fournissant ainsi de nouvelles perspectives sur l’étiologie de la maladie et les options de traitement.
Différents sous-ensembles de FLS ont des localisations spatiales et des fonctions distinctes dans le tissu synovial. THY-1 (CD90) est un marqueur de surface qui peut être utilisé pour distinguer les sous-ensembles de fibroblastes. Dans la RA et l’OA, les FLS THY1+ sont présents dans les zones sous-linéaires, tandis que les FLS THY1– se trouvent principalement dans la doublure synoviale. Dans la RA, une plus grande proportion de FLS expriment des niveaux élevés de THY1 par rapport à l’OA, et la majorité des FLS sont THY1– dans l’OA. Les FLS THY-1+ produisent des cytokines qui entraînent l’inflammation et sont enrichis dans les modules associés à la production et aux interactions de la matrice extracellulaire (ECM), tandis que les FLS THY-1– induisent la destruction de l’os et du cartilage. La protéine d’activation des fibroblastes-a (Fap-a) est un biomarqueur de la réponse inflammatoire tissulaire, et la migration des FLS Fap-a+ dans l’os et le cartilage entraîne des dommages articulaires. Inversement, la suppression des FLS FAPa+ supprime à la fois l’inflammation et l’érosion osseuse. La présence de fibroblastes effecteurs immunitaires FAPa+-THY1+ dans la sous-linéaire synoviale entraîne une arthrite inflammatoire plus sévère et persistante, avec un effet minimal sur l’os et le cartilage. Cependant, les fibroblastes destructeurs FAPa+THY1– limités à la couche de doublure synoviale médient sélectivement les dommages à l’os et au cartilage avec peu d’effet sur l’inflammation.
La podoplanine (PDPN), un type de glycoprotéine d’acide sialique, est une protéine transmembranaire trouvée à la surface des FLS. Le niveau d’expression de la PDPN dans les FLS in vitro augmente de manière dépendante du temps après stimulation avec le facteur de nécrose tumorale (TNF) a et l’interleukine (IL)-1b. Les FLS PDPN+FAPa+THY1+ jouent un rôle effecteur immunitaire et maintiennent l’inflammation par la production d’un répertoire distinct de chimiokines et de cytokines. Les FLS PDPN+FAPa+THY1– sont des cellules effectrices osseuses qui médient les dommages articulaires. Les FLS PDPN+CD34–THY1+ sont présents dans la zone périvasculaire dans la synoviale enflammée et sécrètent des cytokines pro-inflammatoires. Les niveaux de ces cellules sont trois fois plus élevés chez les patients atteints de RA par rapport à ceux atteints d’OA, et reflètent l’activité de la maladie RA. Les FLS PDPN+CD34–THY1+ ont un phénotype in vitro caractéristique des cellules invasives et sont prolifératives, ce qui suggère qu’elles jouent des rôles pathologiques dans l’invasion matricielle, le recrutement des cellules immunitaires et l’ostéoclastogenèse.
Le SCS peut être utilisé pour déterminer l’évolution dynamique des FLS. Après avoir décrit la trajectoire de développement similaire des FLS humains dans l’OA et la RA, Cai et al. ont également clarifié leur état fonctionnel en utilisant la technologie de séquençage ARN unicellulaire. Dans la RA et l’OA, les FLS ont subi un processus de transition similaire, d’un état non stimulé (état 4) à des états activés avec différents modèles fonctionnels (états 1, 2, 3 et 5). Le processus peut avoir deux branches : (i) de l’état 4 à l’état 5 et (ii) de l’état 4 à l’état 3 à l’état 1 ou à l’état 2. Les FLS dans les états 2 et 5 sont plus pathologiques que les FLS dans les états 1 et 3. Les FLS dans l’état 5 montrent une capacité pro-inflammatoire plus forte, tandis que ceux dans l’état 2 sont plus agressifs.
Les macrophages, une source de TNF-a, entraînent la RA. Les sous-ensembles individuels de macrophages de la RA ont des fonctions hautement spécialisées et spécifiques aux tissus, avec une transcription distincte et une hérédité épigénétique. Les macrophages résidents tissulaires CX3C chimiokine récepteur 1 (CX3CR1)+ et les macrophages inflammatoires heparin-binding epidermal growth factor-like growth factor (HBEGF)+ sont enrichis dans le tissu RA. Les macrophages résidents tissulaires CX3CR1+ forment une barrière immunologique interne, localement renouvelée et protectrice médiée par des jonctions serrées pour limiter la réaction inflammatoire. Les macrophages inflammatoires HBEGF+, connus sous le nom de « macrophages pro-invasifs », produisent des cytokines inflammatoires, telles que l’IL-1, et les facteurs de croissance EGF épiréguline et HBEGF, qui induisent ensuite des FLS invasifs. Selon les études mentionnées ci-dessus, les sous-ensembles de fibroblastes ou de macrophages anatomiquement distincts et fonctionnellement discrets avec des fonctions non chevauchantes ont des implications importantes pour les thérapies cellulaires visant à moduler l’inflammation et les dommages tissulaires dans les conditions pathologiques.
Der et al. et Arazi et al. ont soumis des tissus de biopsie rénale et cutanée humains au SCS et ont évalué les marqueurs de diagnostic et de pronostic potentiels pour la néphrite lupique (LN), ainsi que identifié de nouvelles cibles pour un traitement personnalisé. Les modèles d’expression ARN peuvent indiquer une fonction effectrice potentielle et une trajectoire de développement. Il existe divers sous-types de leucocytes chez les patients atteints de LN, chacun avec un modèle d’expression génique caractéristique. Les cellules T CD8+ sont divisées en deux populations effectrices distinctes, y compris une population de cellules T cytotoxiques avec une forte similitude avec les cellules tueuses naturelles, et une population distincte avec une expression élevée de l’enzyme granulaire K. La population de cellules T CD4+ comprend des populations effectrices, des cellules Treg et des sous-ensembles de cellules T folliculaires helpers-like qui peuvent contribuer à la réponse des cellules B. L’analyse de trajectoire SCS a indiqué que les cellules B naïves peuvent se différencier en cellules activées et en cellules B liées à l’âge et/ou auto-immunes, ce qui peut se produire in situ. Les cellules immunitaires innées et adaptatives dans le rein LN interagissent les unes avec les autres par liaison récepteur-ligand. L’expression du récepteur de chimiokine C-X-C chimiokine récepteur de type 4 (CXCR4) et du récepteur de cytokine TNF RSF10A a été augmentée dans les cellules immunitaires rénales. En outre, CXCR4 et CX3CR1 peuvent jouer un rôle central dans le transport cellulaire et peuvent servir de cibles thérapeutiques potentielles. Les protéines interagissant avec l’ECM, l’inhibiteur tissulaire des métalloprotéinases-1 et la famille des inhibiteurs de la sérine protéase G sont associées à la fibrose rénale et sont régulées à la hausse dans les cellules tubulaires rénales des patients atteints de LN recevant un traitement inefficace. L’interféron de type I régule l’activité du système immunitaire, et les gènes de la voie de réponse à l’interféron de type I sont régulés à la hausse dans les cellules épithéliales tubulaires rénales et les kératinocytes chez les patients atteints de LN. L’interféron de type I peut être utilisé pour évaluer la réponse thérapeutique à la LN, car les scores de réponse à l’interféron des cellules épithéliales tubulaires rénales chez les patients recevant un traitement inefficace pour la LN sont significativement plus élevés que ceux recevant un traitement efficace. L’interféron est présent dans les kératinocytes des biopsies cutanées non lésionnelles et non brûlées par le soleil obtenues chez des patients atteints de LN, suggérant que la peau peut servir de substitut potentiel du rein pour les maladies rénales. L’urine est facilement collectée, et les cellules présentes dans l’urine peuvent récapituler les changements moléculaires survenant dans le rein, et peuvent donc être utilisées dans les futures études de biomarqueurs.
La sclérose systémique (SSc) est une maladie fibrotique auto-immune. Sun et al. ont identifié des sous-ensembles de cellules cutanées et des gènes marqueurs associés chez les patients atteints de SSc en utilisant le séquençage ARN unicellulaire. Ils ont révélé une expression spécifique des péricytes de RGS5, une expression spécifique des cellules T de IL32, une expression spécifique des cellules endothéliales du facteur de von Willebrand (vWf), une expression spécifique des fibroblastes de COL1A1, une expression spécifique des kératinocytes basaux de Krt14 et Krt5, et une expression spécifique des kératinocytes basaux de Krt1 et Krt10. Les cellules mésenchymateuses dans la lamina propria intestinale sont un groupe hétérogène de cellules cruciales pour maintenir l’homéostasie des cellules épithéliales intestinales. En outre, elles sont associées au développement de maladies inflammatoires de l’intestin, y compris la colite ulcéreuse et la maladie de Crohn, en médiant l’environnement inflammatoire. Les cellules mésenchymateuses du côlon ont quatre sous-ensembles. Le sous-ensemble S1 est riche en collagène non fibrillaire et en fibres élastiques. Le sous-ensemble S2 se trouve adjacent aux cryptes épithéliales intestinales et est caractérisé par l’expression de SOX6, F3 (CD142) et WNT, qui jouent un rôle important dans la prolifération et la différenciation des cellules souches. Le sous-ensemble S2 est réduit dans la colite ulcéreuse, et l’expression du collagène floconneux est diminuée, conduisant à une dysfonction de la barrière épithéliale. Le sous-ensemble S3 est associé au tissu fibreux supramoléculaire. Le sous-ensemble S4 exprime des facteurs inflammatoires qui régulent l’activation des cellules T et la migration des leucocytes, exacerbent le stress oxydatif et favorisent la progression de la maladie.
La sclérose en plaques (MS) est une maladie démyélinisante inflammatoire, qui est fortement associée à la génétique. L’Eomesodermine (EOMES) est associée à un risque accru chez les patients chinois atteints de MS récurrente-rémittente (RRMS) et pourrait être une cible thérapeutique potentielle dans la RRMS. Les astrocytes sont impliqués dans la pathogenèse de la MS. Il existe plusieurs sous-ensembles d’astrocytes avec différents états transcriptionnels dans l’encéphalomyélite allergique expérimentale et la MS. Le cluster 4 est la sous-population la plus amplifiée pendant l’induction de l’encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE). Le facteur de régulation transcriptionnelle nuclear factor erythroid-2-related factor-2 (Nfe2L2), codant pour le facteur de transcription NRF2, a l’expression la plus faible dans le cluster 4, et est accompagné d’une augmentation de MAF bZIP transcription factor G (MAFG) et MAFG interagit directement avec la signalisation methionine adenosyltransferase 2 (GMAT2 MAF). NRF2 agit comme un facteur de régulation négatif lié à la réponse inflammatoire et aux voies neurotoxiques. Si la MS n’est pas traitée de manière opportune et efficace, le système nerveux est irréversiblement endommagé. Par conséquent, l’identification de nouveaux biomarqueurs est importante pour la détection précoce de la MS, et peut fournir des cibles thérapeutiques potentielles.
La technologie SCS peut améliorer notre compréhension de la fonction des cellules individuelles dans le microenvironnement inflammatoire dans les maladies auto-immunes, et définir les sous-ensembles cellulaires dans les tissus pathologiques. En outre, le SCS peut permettre l’identification de biomarqueurs de diagnostic ou de pronostic et de cibles thérapeutiques pour les maladies auto-immunes.
doi.org/10.1097/CM9.0000000000001050