scRNA-TCR

Calendar May 9, 2025
Bioinformatics, #TCR, #ScRNA, Tutorial, Theory

T细胞和TCR的基本认识#

T细胞#

T细胞（T lymphocytes）是淋巴细胞的一种，在适应性免疫应答中扮演着至关重要的角色。它们起源于骨髓，在胸腺（Thymus，这也是T细胞名称中"T"的来源）中发育成熟。

主要亚群：

  • 辅助性T细胞 (Helper T cells)：通常表达CD4分子。它们是免疫应答的“指挥官”，通过分泌细胞因子激活和调控B细胞、巨噬细胞、细胞毒性T细胞等其他免疫细胞的功能。
  • 细胞毒性T细胞 (Cytotoxic T cells, CTLs)：通常表达CD8分子。它们是免疫系统的“杀手”，能够特异性识别并直接杀死被病毒感染的细胞、肿瘤细胞或外来移植细胞。
  • 调节性T细胞 (Regulatory T cells,Treg)：主要功能是抑制或下调免疫应答，维持免疫耐受，防止自身免疫病的发生。

TCR介绍#

T淋巴细胞（T cells）是负责适应性免疫应答的主要细胞，其抗原识别功能主要依赖于T细胞受体（T cell receptor, TCR）

组成： TCR是由两条不同的肽链构成的异二聚体，主要是α链和β链。TCR由基因组DNA上几个不同区域转录翻译而来，每条链都包含一个可变区（V region）和一个恒定区（C region）。这个可变区是TCR识别特异性抗原的关键，它能与主要组织相容性复合体（MHC）分子呈递的抗原肽结合。其中的V区，D区，J区会发生重排产生不同的受体链，也就是产生多样性的T细细胞受体，以应对不同的抗原类型，因此分析TCR多样性主要就是分析V(D)J区片段的序列特征。

多样性的产生： 免疫系统需要应对无数种潜在的抗原，因此TCR必须具有极高的多样性。这种多样性主要通过编码TCR链的基因（TRAV, TRAJ, TRBV, TRBD, TRBJ等基因片段）在T细胞发育过程中的V(D)J基因重排（somatic recombination）实现。这个过程是随机的，理论上可以产生天文数字般数量的不同TCR，从而形成一个巨大的TCR库（TCR repertoire），使得T细胞能够识别各种不同的抗原。

单细胞TCR分析#

单细胞TCR分析 (Single-cell TCR analysis)，顾名思义，就是将在单个T细胞水平上对其T细胞受体（TCR）序列进行分析的技术。 这项技术通常会结合单细胞RNA测序 (scRNA-seq) 来实现。这意味着不仅能够从同一个T细胞中获取其独特的TCR序列信息（即α链和β链的序列，这决定了它的抗原特异性），还能同时了解到这个细胞的基因表达谱（即哪些基因在这个细胞中是活跃的，活跃程度如何）。

传统TCR和单细胞TCR#

如果将T细胞比喻为士兵，那么TCR就是雷达。每个T细胞的TCR都几乎是独一无二的，就像我们每个人的指纹一样。这种独特性使得TCR能够精确地识别特定的“敌人”信号（我们称之为抗原）。当TCR成功“锁定”敌人后，T细胞就会被激活，然后开始执行清除任务。

精准匹配“雷达”型号与“士兵”类型和状态：

  • 传统的TCR测序（群体TCR测序）只能告诉我们军队里有哪些型号的“雷达”（TCR序列），以及每种型号的数量有多少。但我们不知道拥有特定型号雷达的“士兵”具体是哪种兵种（比如是辅助T细胞还是细胞毒性T细胞？），也不知道这个士兵是处于“战斗状态”、“休整状态”还是“筋疲力尽状态”。
  • 单细胞TCR分析则能完美解决这个问题。它可以告诉我们，这个携带特定TCR的T细胞，它具体表达了哪些基因。通过基因表达谱，我们就能推断出这个T细胞的功能状态（例如，它是效应T细胞、记忆T细胞还是耗竭T细胞）、它分泌了哪些细胞因子、它表达了哪些重要的功能蛋白等等。这就实现了TCR的克隆型（clonotype）与其表型（phenotype）和功能状态的直接关联。

  1. 深入理解免疫应答的复杂性：

    • 在疾病（如癌症、感染性疾病、自身免疫病）发生或接受治疗（如免疫治疗）的过程中，T细胞的反应是高度动态和异质性的。单细胞TCR分析能够帮助我们追踪特定的T细胞克隆（即拥有相同TCR的T细胞群体）是如何扩增、分化以及改变其功能状态的。
    • 例如，在肿瘤免疫治疗中，我们可以用它来找出那些能够有效识别并攻击肿瘤细胞的T细胞克隆，并了解它们为什么有效，或者为什么有些T细胞克隆会失效。

  2. 发现新的治疗靶点和工具：

    • 通过识别在疾病中发挥关键作用（无论是好的还是坏的）的T细胞克隆及其TCR，可以开发新的免疫治疗策略，比如设计TCR-T细胞疗法（一种将特定TCR基因导入患者T细胞的癌症疗法）。

实验流程#

目前主流的单细胞TCR分析技术，很多都是基于微液滴技术 (droplet-based microfluidics)，比如广受欢迎的10x Genomics Chromium系统。它可以做到：

  1. “单间”分配——单个细胞的分离与包裹：

    • 首先，将T细胞悬液、特殊的酶（用于后续反应）以及带有细胞条形码 (cell barcode) 和UMI (Unique Molecular Identifier，独特分子标识符) 的凝胶珠 (gel beads) 一起通过一个微流控芯片。
    • 在这个芯片里，成千上万个微小的油滴会被生成，每个油滴就像一个小小的“反应室”或“单间”，理想情况下，每个油滴里只包裹一个T细胞和一个凝胶珠。这个凝胶珠是关键，它上面携带着独特的“身份证”——细胞条形码。来自同一个油滴（也就是同一个细胞）的所有分子，都会被标记上这个相同的细胞条形码。

  2. “开闸放水”——细胞裂解与RNA捕获：