基于高通量单细胞分析研究免疫球蛋白组库的新方法

The ability to select and expand specific immunoglobulin clone is an essential part of our immune system to fight potential infections. Our understanding of this whole process relies on the measurement of immunoglobulin dynamics. While immune repertoire has been widely used to reveal such dynamics, it does not provide the pairing information of light and heavy chains within the same single cells. Current single-cell analysis technologies offer limited throughput to screen a large number of immune cells. Here we propose a high-throughput single-cell analysis technique based on microfluidic cell separation and random DNA barcoding. Transcripts from different single cells are captured and uniquely labeled on micro-beads for downstream high-throughput sequencing analysis. This technique can process thousands of single cells at a time. By analyzing immunoglobulin variety and level after vaccination, we can systematically investigate the dynamic development of the immune system.

免疫系统从大量随机产生的免疫球蛋白基因序列中识别并重点表达针对外来抗原的特异性抗体是体液免疫的核心，测量免疫球蛋白基因表达的变化是理解上述过程的关键。目前广泛采用的免疫组库研究，虽然可以反映出免疫系统的动态变化，但是无法取得同一个细胞内免疫球蛋白重链与轻链的对应关系，因此不具有生物化学意义。当前的单细胞分析方法通量有限，无法保证从高度异质性的免疫细胞群中找出特异性抗体序列。本项目提出基于微流控技术的高通量单细胞分离方法，并将含有特异DNA标记的微球与单细胞进行配对，对源自不同细胞的转录本进行标记和扩增，通过高通量测序分析数千个单细胞的基因表达，从而建立一套适宜于高复杂性系统的单细胞基因表达分析方法。进一步通过对免疫接种后不同时期细胞类型和抗体序列的分析，系统性研究免疫接种过程中的免疫动态变化，为研究免疫组库提供一个良好的手段。

免疫系统从大量随机产生的免疫球蛋白基因序列中识别并重点表达针对外来抗原的特异性 抗体是体液免疫的核心，测量免疫球蛋白基因表达的变化是理解上述过程的关键。本项目以多个单细胞转录组扩增体系为基础，搭建并优化了高通量单细胞分析系统，一次实验可以处理数千个单细胞；通过对Tn5转座酶的深入研究，开发了新型转录组扩增技术SHERRY，提高了转录组扩增效率，并且由于操作简便，适于推广到常规分子生物学实验室使用；优化了测序文库接头设计，降低了测序数据串扰错误率，提高了测序数据准确性；利用小鼠模型，研究了免疫刺激后抗原特异性B细胞受体的动态变化，定位了长效浆细胞；从新冠肺炎康复病人外周血分离得到新冠病毒S蛋白特异性B细胞，测定了S蛋白特异性B细胞受体序列多样性的同时获得了多株中和抗体；测定了小鼠免疫系统对多种新冠病毒mRNA疫苗的响应，协助完成了新冠疫苗小鼠免疫评价；基于上述SHERRY技术开发灵敏快速新冠临床样品测序技术MINERVA，测定了新冠病毒在宿主免疫压力下的进化趋势。