В недавней статье, опубликованной в журнале Молекулярная клеткаисследователи представляют ценный ресурс данных, который обеспечивает всестороннее понимание клеточных и генетических механизмов, управляющих интеграцией и экспрессией вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) в человеческом мозгу.
Учиться: Интеграция ВИЧ в мозг человека связана с активацией микроглии и трехмерным ремоделированием генома. Кредит изображения: SquareMotion / Shutterstock.com
Задний план
ВИЧ проникает в центральную нервную систему (ЦНС) в течение первых двух недель после заражения. В первую очередь инфицируются микроглия, миелоидные клетки и макрофаги, которые в совокупности составляют 5-10% нейронов.
ВИЧ-инфекция с энцефалитом (HIVE) — редкое осложнение после открытия комбинированной антиретровирусной терапии (кАРТ); однако HIVE является идеальным условием для изучения того, как активная репликация ВИЧ влияет на мозг. В ряде случаев на начальных стадиях острой ВИЧ-инфекции у больных выявляются неврологические симптомы, напоминающие ульевоподобное состояние.
Необходимы дополнительные данные на уровне генома и транскриптома для разработки эффективных методов лечения ВИЧ-ассоциированного нейрокогнитивного расстройства (HAND), которым страдают от 20 до 50% ВИЧ-инфицированных людей во всем мире. На сегодняшний день большинство геномных исследований сосредоточено на анализе профилей экспрессии генов в объемных тканях для демонстрации метаболических изменений, вызванных ВИЧ, и нейровоспаления.
Об исследовании
В настоящем исследовании исследователи проводят первое в своем роде исследование интегративной геномики, специфичное для клеточного типа, включающее трехмерное (3D) картирование генома, секвенирование сайта интеграции ВИЧ (IS-seq) и одноядерную транскрипцию.
В то время как в предыдущих исследованиях использовались объемные ткани, в текущем исследовании исследователи использовали ткани лобной доли от ВИЧ-инфицированных умерших доноров и контрольной группы с энцефалитом и без него. В частности, были получены образцы серого вещества лобной коры и подкоркового белого вещества трех ВИЧ-неинфицированных, трех ВИЧ-инфицированных и семи ВИЧ-инфицированных.
Для разрешения транскрипции на уровне клеток команда провела 10-кратное секвенирование одноядерной рибонуклеиновой кислоты Chromium (snRNA-seq) на образцах ткани из лобной доли мозга. Кроме того, исследователи проверили отдельные ядра на наличие транскриптов ВИЧ и наблюдали транскрипты ВИЧ во всех типах клеток головного мозга.
Трехмерная реорганизация микроглии не визуализировалась. жить. Поэтому команда создала карты высокопроизводительного захвата конформации хромосом (Hi-C) в масштабе всего генома для микроглии из двух мозгов HIVE с контрольными группами, соответствующими возрасту и полу. Согласно результатам sc-RNA seq, в этих образцах мозга HIVE была подтверждена экспрессия ВИЧ.
Кроме того, исследователи изучили хромосомные компартменты клеток микроглии размером от 0,1 до 10 мегабаз (Mb), которые впоследствии были разделены на геноплотные и бедные генами компартменты A и B. Примечательно, что разделение фаз приводит к пространственной сегрегации компартментов хромосом А и В.
Поскольку HIVE также ремоделирует архитектуру компартментов хроматина, исследователи изучили топологически ассоциированные домены (TAD) и изменения петель в клетках микроглии.
Результаты исследования
С помощью snRNA-seq было профилировано 69 843 ядра, что привело к среднему 2401 дифференциально экспрессируемому гену (DEG) и средней глубине 119 797 прочтений. Кроме того, дифференциальный анализ компартментов Hi-C (dcHiC), охватывающий 194 Мб генома микроглии, длина которого почти равна длине 5-й хромосомы человека, также выявил значительные различия в компартментализации A/B в мозге HIVE по сравнению с мозгом HIVE. ВИЧ-инфицированный мозг.
Претерпевая глубокую реорганизацию, хромосомные конформации в месте расположения DEGs в микроглии также изменяют TAD размером от кило- до мегаоснований и перемонтируют сотни контактно-специфических петель.
Геном в компартменте A в HIVE и ВИЧ-инфицированных микроглиях показал заметный сдвиг с 47,3% до 46,2%. Кроме того, 118 Mb хромосомных A/B-компартментов клеток микроглии HIVE переключились на более открытую конформацию, тогда как 76 Mb перешли к более закрытой конформации в противоположном направлении.
Области с увеличенной компартментализацией A в семи образцах HIVE имели 1940 генов, экспрессированных на значительно более высоких уровнях, чем три ВИЧ-инфицированных микроглии из набора данных snRNA-seq. В целом изменения компартмента Hi-C в HIVE были специфичными для микроглии.
Анализ функциональных путей выявил значительное обогащение генами каскада комплемента, интерфероном (IFN) и другими сигнальными путями цитокинов, а также путями миелоидного хемотаксиса и миграции. Эти изменения указывали на сдвиг в функциональности микроглии от функций поддержки нейронов к воспалению из-за интеграции ВИЧ в головной мозг.
Примечательно, что неэнцефалитическая микроглия из ВИЧ-инфицированного мозга показала консервативные изменения в экспрессии генов, связанных со здоровьем нейронов, даже в отсутствие интеграции ВИЧ. Раннее поражение, вероятно, приводит к HAND и связанной с ней дисфункции нейронов во время ВИЧ-инфекции, несмотря на отсутствие прямой инфекции нейронов.
Выводы
Текущее исследование показало, что трехмерные полногеномные изменения в мозге ВИЧ-инфицированных были специфичны для микроглии и приводили к значительному перепрограммированию ядерного транскриптома. Например, локусы генов в микроглии HIVE с повышенной экспрессией сместились в более благоприятное состояние транскрипции и открытого хроматина, что указывает на то, что интеграция и транскрипция ВИЧ вызвали эти иммунные изменения в микроглии.
Кроме того, полученные из ВИЧ транскрипты воздействуют на хромосомные конформации микроглии с помощью других механизмов. ВИЧ показал сильную склонность к интеграции в открытый хроматин компартмента А. Действительно, некоторые сайты интеграции ВИЧ, вероятно, зависят от стадий заболевания, подобных Т-клеткам, о которых сообщалось в предыдущих исследованиях.
Другие вирусы, такие как коронавирус тяжелого острого респираторного синдрома 2 (SARS-CoV-2), также перестраивают хромосомную организацию гена рецептора запаха. Исследователи отметили связь между иммунной стимуляцией и инфекцией, предполагая, что активация микроглии мозга каким-то образом потенцирует ВИЧ-инфекцию.
Эти микроглии представляют собой участки с высоким уровнем продуктивной транскрипции ВИЧ, которая позже распространяется отсюда в другие восприимчивые популяции клеток головного мозга. Эти небольшие клональные популяции сайтов интеграции ВИЧ реплицируются и увеличивают популяцию вирусов ЦНС.
В целом, данные исследования, показывающие специфические для типов клеток различия в сайтах интеграции ВИЧ, могут способствовать разработке методов лечения ВИЧ следующего поколения.
Ссылка на журнал:
- Плаза-Дженнингс, А.Л., Валада, А., О’Ши, К., и другие. (2022). Интеграция ВИЧ в мозг человека связана с активацией микроглии и трехмерным ремоделированием генома. Молекулярная клетка. doi:10.1016/j.molcel.2022.11.016