人体组织器官区域免疫图谱的绘制

Human organs and tissues are characterized with their own anatomy and microenvironment, in which immune cells exhibit regional diversity. Regional immune cells and immune responses play important roles in the homeostasis and regeneration of tissues and organs and dominantly control the disease process and tumors in tissues and organs. However, there is still a lack of systematic understanding on the regional immunologic characteristics of tissues and organs. In this proposal, we plan to use a home-made high-throughput single-cell sequencing platform (Microwell-seq) and the antibody-primer labeling technology to achieve single-cell proteome analysis based on sequencing. We will construct the regional immune cell single-cell transcriptome database covering all major tissues of human body as well as representative malignant tissues. We will also build a regional immunologic atlas to precisely define the types of immune cells in various healthy or malignant tissues. The atlas will also reveal the regional immunological properties and their molecular and cellular mechanisms of high-risk tissue organs, which will provide guidance for disease prevention and immunotherapy.

人体的各个组织器官有着独特的结构和微环境，其中的免疫细胞呈现出区域多样性。区域免疫细胞和免疫反应对组织器官稳态和再生起到了极其重要的作用，也与器官的病变和肿瘤的发生有着紧密的联系。但是对于组织器官的区域免疫特性仍缺乏系统性研究。本项目计划利用申请人团队自主研发的高通量单细胞测序平台（微孔板测序技术）并结合抗体的引物标记技术，实现基于测序的单细胞蛋白组分析，建立涵盖人体八大系统的区域免疫细胞转录组数据库，绘制正常人区域免疫图谱以及代表性疾病区域免疫图谱。项目构建的区域免疫图谱将精确定义各组织器官免疫细胞的种类，并且揭示重要疾病高发组织器官的区域免疫学特性以及细胞分子调控网络，为疾病的预防和免疫治疗提供指导。

人体各组织器官的免疫微环境呈现区域特异性，区域免疫细胞和结构细胞的互作关系对组织器官稳态维持起着重要的作用，也与组织器官病变和肿瘤发生紧密关联。本项目在自主研发高通量单细胞测序平台Microwell-seq的基础上进一步降低成本，提高检测通量，扩展检测组学，建立了超高通量单细胞测序平台Microwell-seq 2.0和组合杂交超高通量单细胞测序平台CH-seq，实现了超高通量单细胞转录组和染色质可及性分析。利用相关单细胞技术我们对人类60余种组织器官样本进行了高通量单细胞测序分析，建立了70多万个单细胞的转录组数据库，系统性地绘制了跨越胚胎和成年两个时期，涵盖正常人八大系统各组织器官的实质、基质及免疫细胞图谱，鉴定了人体100余种细胞大类和800余种细胞亚类，解析了正常人体各个组织区域免疫细胞与组织细胞的相互作用及调控网络。之后我们构建了正常及急性髓系白血病状态下人体骨髓中的区域免疫细胞图谱，对缓解、难治和复发病人的骨髓区域免疫特征做出了深入解析。我们也使用单细胞测序技术分析蝾螈肢体再生和变态发育过程，解析蝾螈各组织器官的结构细胞与免疫细胞在发育过程中的相互作用及调控网络。我们进一步构建了小鼠、斑马鱼、果蝇、蚯蚓等多个物种的细胞图谱，展现了不同物种各组织中免疫微环境和免疫响应状态的差异和共性。基于跨物种分析，证实在成年时期上皮、基质和内皮等非免疫细胞中存在免疫相关基因上调的现象是物种间保守的，展示了组织区域特异性免疫调控的存在。基于跨物种发育图谱我们进一步解析了细胞命运决定机制，挖掘了谱系特异和谱系共有的关键调控网络和调控因子。我们还建立了基于单细胞数据的跨物种免疫及结构细胞的进化分析流程，探索了免疫响应细胞的进化起源。最后我们构建了基于基因组序列与单细胞图谱的人工智能模型，解析物种间保守的免疫细胞和结构细胞调控程序。项目成果为区域免疫研究提高了丰富的数据资源，为疾病的预防和治疗提供指导。