HIV-1 저장 세포의 면역 선택에 대한 표현형 신호
Abstract
인간 면역 결핍 바이러스 1(HIV-1) 저장 세포는 항레트로바이러스 치료에도 불구하고 평생 지속되지만 HIV-1을 치료하기 위한 전략에서 활용될 수 있는 숙주 면역 반응에 취약할 수 있다. 여기서 우리는 HIV-1에 살고 약 10년 동안 항레트로바이러스 치료를 받는 사람들의 말초 혈액과 림프절에서 개별 HIV-1 감염 메모리 CD4+T 세포의 생체 외 표현형 프로파일링을 위해 단일 세포, 차세대 염기서열 분석 접근법을 사용했다. 우리는 말초혈액에서 유전자가 손상되지 않은 프로바이러스를 보유한 세포와 바이러스에 감염된 세포의 큰 클론이 프로바이러스 유전자 전사를 제한할지 모르는 면역 체크포인트 마커의 높아진 발현과 관련있는 세포독성 T 세포와 natural killer 세포에 의한 면역 매개 killing에 대한 저항성을 증가시키는 표면 마커의 앙상블 signature을 자주 발현한다는 것을 입증한다. 이 표현형 프로파일은 HIV-1 저장 세포가 세포 숙주 면역 반응에 노출되고 죽이는 것을 감소시킬 수 있다. 림프절에서 온전하게 HIV-1을 보유하고 있는 바이러스 저장 세포는 CD44, CD28, CD127, IL-21 수용체를 포함하여 세포 생존을 촉진하는 표면 마커의 상향 조절을 주로 특징으로 하는 표현형 특징을 보였다. 더불어 이러한 결과는 HIV-1 저장 세포에서 면역 선택의 구획화된 표현형 신호를 보여주며, 이는 해부학적 면역 미세 환경에 최적으로 적응한 감염 세포의 작은 subset만이 장기 항레트로바이러스 치료 동안 생존할 수 있음을 암시한다. 바이러스 저장 세포를 구별하는 표현형 마커의 식별은 HIV-1을 치료하고 제거하기 위한 전략에 대한 미래의 접근법을 알려줄 수 있다.
Figure
[Figure 1] PB의 HIV-1 감염 세포(PheP-seq)에서 세포 표현형과 프로바이러스 서열이 결합된 평가.
(A) PheP-seq 분석에 통합된 18개의 다른 HIV-1 증폭 생성물의 게놈 위치; 이 18개의 amplicons은 HIV-1 genome의 약 4,000 bp를 다룬다; 증폭 생성물 사이의 간격이 표시된다. 대형 프로바이러스 클론의 미리 정의된 바이러스 숙주 접합에 해당하는 추가 amplicons도 포함되었다. Amplicons 2와 16은 IPDA 분석을 위해 이전에 설명되었다. LTR, long terminal repeat. Ψ, 레트로바이러스 psi 포장 요소.
(B) 연구 참가자 2(P2)의 단일 HIV-1 감염 세포에서 개별 HIV-1 DNA 증폭 생성물을 요약한 virogram. 각 행은 하나의 감염된 세포의 데이터를 나타낸다. 범주 1, 2, 3 및 4에 대한 기준을 충족하는 시퀀스 수가 표시된다. 더 긴 증폭 생성물(amplicon 5, 10, 12)의 경우, 이 연구에 사용된 Illumina NextSeq 2 x 150-bp 시퀀싱 판독 길이를 사용하여 중앙에 위치한 뉴클레오티드를 효율적으로 증폭할 수 없었다.
(C) 각 연구 참가자(P1–P5)와 모든 연구 참가자를 합친 범주 1–4 HIV-1 감염 세포의 수를 요약한 Venn diagram. 다른 프로바이러스 범주에 대한 기준을 충족하는 시퀀스 수는 각 범주에 개별적으로 표시된다.
(D) PheP-seq에 의해 결정된 각 연구 참가자로부터 선택된 프로바이러스 시퀀스의 원형 최대 가능성 계통발생 트리. 복제 서열이 표시되며 염색체 통합 부위가 사용 가능한 경우 나열된다. 그래픽은 BioRender.com을 사용하여 생성된다.
[Fig 2] PB에서 순환하는 환자 유래 HIV-1 감염 세포의 표현형 프로필.
(a) 2차원 UMAP 그림을 사용하여 5명의 연구 참가자로부터 HIV-1에 감염된 CD4+T 세포의 표현형 특성에 대한 전반적인 시각화; 표현적으로 구별되는 mCD4+ T 세포 하위 집합을 반영하는 계산적으로 정의된 구형 클러스터 5개가 표시된다. 각 세포 범주에 대해 하나의 그림이 표시된다.
(B) 이번 연구에 포함된 53개의 표면 마커를 바탕으로 각 구형 클러스터 내 세포의 정규화된 표현형 프로파일을 요약한 heatmap.
(C) 마커 양성 세포의 풍부함 비율을 보여주는 화산 그림과 해당 FDR 조정(adj). 이번 연구에 포함된 53개의 모든 표면 마커에 대한 P 값. 선택된 마커는 개별적으로 레이블이 지정된다. 표시된 세포 범주에서 마커 양성 세포의 비율로 계산된 마커 민감도는 점 크기로 표시된다. 표시된 세포 범주 간의 비교가 표시된다. 다섯 참가자 모두의 부트스트랩 데이터가 표시된다. 유의성은 two-sided chi-squared test를 사용하여 테스트되었다. FDR 조정 P 값이 표시된다.
[Figure 3] PB에서 순환하는 환자 유래 HIV-1 감염 CD4+T 세포에서 차등 발현된 표면 마커.
(A) 약 10년 간의 ART 후 5명의 참가자 모두의 횡단면 분석에서 표시된 세포 범주에서 선택된 표현형 마커의 표면 발현을 나타내는 밀도 그림.
(B) 연구 참가자 P1과 P2에서 ART의 약 1년차(‘초기’)와 10년차(‘후기’)에 수집된 장기적인 샘플에서 선택된 표현형 마커의 표면 발현을 반영하는 밀도 그림.
(C) ART 10년 후 5명의 연구 참가자로부터 수집한 샘플의 횡단면 분석에서 앙상블 표현형 마커를 발현하는 HIV-1 감염 세포의 비율을 반영한 ‘SPICE(Simplified Presentation of Incredible Complex Evaluations)’ 도표. 파이 차트는 표시된 마커의 0, 1, 2, 3 또는 4를 나타내는 세포의 상대적 비율을 나타낸다. 개별 마커는 overlaying arch로 표시된다. 각 세포 범주에 대해 하나의 별도 다이어그램이 표시된다. 왼쪽 패널의 데이터는 면역 매개 살상에 대한 내성과 관련된 표현형 마커를 반영하고 오른쪽 패널의 데이터는 면역 체크포인트 마커를 보여준다. 유의성은 FDR 조정 순열 테스트를 사용하여 테스트되었다.
[Figure 4] PB에서 순환하는 개별 HIV-1 감염 CD4+T 세포 클론의 표현형 프로파일.
(A) HIV에 감염되지 않은 mCD4 T cell에 비해 HIV-1에 감염된 CD4+T 세포 클론의 전반적인 표현형 프로파일을 나타내는 2차원 UMAP 다이어그램.
(B) 프로바이러스 염색체 통합 장소로 식별된 개별 HIV-1 감염 CD4+T 세포 클론에서 선택된 표현형 마커의 표면 발현을 보여주는 밀도 그림. 데이터는 약 10년간 ART를 수행한 후 연구 참가자로부터 횡단면 분석을 통해 수집되었다. 모든 복제 HIV-1 감염 세포(카테고리 3)와 HIV 비감염 세포(카테고리 0)의 결과가 참조로 표시된다.
[Figure 5] 서혜부 LN의 HIV-1 저장 세포에 대한 표현형 분석.
(A) 2차원 UMAP 그림에 의한 LN에서 나온 HIV-1 저장 세포의 전반적인 표현형 분석. 6개의 계산적으로 정의된 구형 군집이 표시된다. 범주 1, 범주 2 및 범주 4 셀에 대해 각각 하나의 그림이 표시된다.
(B) 이번 연구에 포함된 53개의 표면 마커를 바탕으로 각 구형 클러스터 내 세포의 표현형 프로파일을 요약한 heatmap.
(C) 이 연구에 포함된 모든 53개 표면 마커에 대해 마커 양성 세포(상부 패널) 또는 마커 발현 강도의 접힘 변화(하부 패널)와 해당 FDR 조정 P 값을 보여주는 화산 그림. 선택된 마커는 개별적으로 표기되었다. 표시된 셀 범주에서 마커 양성 세포의 비율로 계산된 마커 민감도는 점 크기로 표시된다. 표시된 세포 범주 간의 비교가 묘사된다. LN 생체검사의 세 기증자 모두의 부트스트랩 데이터가 표시된다. LN 생체검사의 세 기증자로부터 얻은 부트스트랩 데이터가 표시된다. chi-squared test또는 two-sided t-test를 사용하여 유의성을 검정했으며, FDR 조정 P 값이 표시된다.
(D) 세 개의 LN 기증자의 표시된 세포 범주에서 선택된 표현형 마커의 발현을 나타내는 밀도 그림.
(E) 앙상블 표현형 세포 생존 마커 CD127, CD28 및 IL-21R을 발현하는 HIV-1 감염 LN 세포의 비율을 나타내는 SPICE diagram. 파이 차트는 표시된 마커 중 하나, 둘 또는 세 개를 발현하는 세포의 상대적 비율을 나타낸다. 개별 마커는 overlaying arch로 표시된다. 표시된 각 세포 집단에 대해 하나의 별도 다이어그램이 표시된다. 유의성은 FDR 조정 순열 테스트를 사용하여 테스트되었다.
Disscussion
총 1,184,345개의 개별 환자 유래 mCD4+T 세포에서 나온 단세포 단백질 유전체 프로파일링 데이터를 포함한 우리의 실험은 수년간의 지속적인 ART에 이어 HIV-1에 감염된 세포가 특히 손상되지 않은 바이러스를 보유할 때 몇 가지 뚜렷한 표현형 특징을 보인다는 것을 나타낸다. 그러나, 그들은 바이러스에 감염된 세포와 감염되지 않은 세포를 효과적으로 구별할 수 있는 단일 통합 표현형 마커의 존재를 인정하지 않는다. 특정 마커의 더 높은 발현 수준이 범주 2(LN 및 PB)와 범주 3 세포(PB)에서 더 명확하게 관찰되었다는 점을 고려할 때, 우리는 이러한 표현형 변화가 HIV-1 감염과 본질적인 연관성 또는 이러한 마커를 발현하는 세포의 더 높은 민감성 때문이 아니라고 한다. 대신 그것들은 아마도 특정 면역학적 미세 환경에 최적의 적응을 제공하는 표현형 프로파일을 가진 저장 세포를 선호하는 것을 지속할 수 있도록 촉진하는 면역 선택 메커니즘의 결과를 나타낼 것이다. 우리는 특정 마커 조합에 대한 더 많은 풍부함이 있었지만 특히 분리된 매개 변수로 분석될 때 표현형 마커 앙상블이 호스트에 대해 더 효과적이고, 아마도 더 맞춤화된 적응을 가능하게 한다는 것을 나타내면서 표현형 마커에 대한 풍부함은 적당한 것으로 간주되어야 한다고 강조한다. 더불어 우리의 연구 결과는 바이러스 저장 세포가 활성 숙주 면역 선택 압력의 대상이며, 그러한 면역 선택의 footprint는 특히 손상되지 않은 HIV-1 바이러스를 보유한 세포에서 볼 수 있다는 가설을 강력하게 뒷받침한다. 숙주 면역 선택 활동에 대한 의존성을 고려할 때 우리는 여기에 설명된 바이러스 저장 세포의 표현형 변화가 HIV-1과 함께 사는 모든 ART 치료를 받은 사람들에서 바이러스 저장 세포의 보편적인 바이오마커로 작용할 가능성이 낮다고 주장한다: 대신, 이러한 표현형 선택 footprint의 유무는 사람마다 다를 수 있으며 숙주 면역 활동의 강도에 의해 크게 영향을 받을 수 있다; 숙주 면역 반응의 장기적인 공진화에 대한 평가와 바이러스 저장 세포의 표현형 프로파일은 바이러스 저장 역학을 이해하기 위한 매력적인 미래 연구 관점을 나타낼 수 있다. 비록 우리가 여기서 확인된 표현형 마커가 HIV-1 치료 연구에서 면역 치료적 개입의 직접적인 목표를 나타낼 수 있다고 주장하지는 않지만, 우리는 HIV-1 저장 세포의 면역 선택을 강화하고 가속화하기 위해 고안된 임상 전략이 HIV-1의 장기 지속성을 줄이고 HIV-1 감염의 약물 없는 완치를 유도하는 데 도움이 될 수 있다고 주장한다.