单细胞免疫组库VDJ分析

免疫学：

免疫学功能：免疫就是识别自我和非我，保持自我稳态的一门学问。自我的复杂度远远小于非我。

VDJ含义：

V：variable 可变区

D：diversity 多样性

J：joining 交联区

免疫组库（Immune Repertoire，IR）是指在任何指定时间，某个个体的循环系统中所有功能多样性B细胞和T细胞的总和。免疫组库测序（Immune Repertoire sequencing（IR－SEQ））是以 T／B 淋巴细胞为研究目标，以多重PCR或5’RACE技术目的扩增决定B细胞受体（BCR）或T细胞受体（TCR）多样性的互补决定区（CDR区），再结合高通量测序技术，全面评估免疫系统的多样性，深入挖掘免疫组库与疾病的关系。

多样性的互补决定区（CDR区）：

互补决定区是VL与VH均有3个HVR，它们共同组成Ig的抗原结合部位（antigen－binding site）。该部位因在空间结构上可与抗原决定簇形成精密的互补，故超变区又称互补性决定区（complementarity determining region，CDR）。整个抗体分子可分为恒定区和可变区两部分。在可变区内有一小部分氨基酸残基变化特别强烈，这些氨基酸的残基组成和排列顺序更易发生变异区域称高变区。在L链、H链的V区中有三个高变区（hypervariable regions，HVR），该部位因在空间结构上可与抗原决定簇形成精密的互补，故高变区又称互补性决定区。

TCR和BCR结构

VDJ多样性机制：

重排过程选择的片段是随机的， 随机重排的结果可以产生种免疫球蛋白分子。其次， 淋巴细胞在成熟后还会发生体细胞突变， 又极大的增加了抗体的多样性． 综合来看， H链和L链可能的组合数预计可达以上。小鼠每天生成的淋巴细胞为个，可见动物一生中还不可能使全部可能产生的基因组合得到表达。

基因重排发生在B细胞成熟前，体细胞高频突变发生在B细胞成熟后。B细胞从干细胞发育成成熟的B细胞之前，要经历重链的VDJ基因重排和轻链的VJ基因重排；成熟的B细胞，迁移到外周淋巴器官之后，在外界抗原的刺激下，可能发生体细胞高频突变（SHM）。

免疫应答的基本过程：

为什么要做单细胞免疫组库？

分子的多样性决定了单细胞测序的优势：

揭示克隆性、多样性、抗原特异性和细胞环境组装并注释全长V（D）J基因序列从单个T细胞识别α和β链序列将来自单个B细胞的重链和轻链免疫球蛋白（Ig）序列以全同型分辨率配对同时测定同一细胞中TCR、B细胞Ig、细胞表面蛋白表达及5’基因表达配对TCRα和β链与TCR－pMHC特异性序列同时测定细胞表面蛋白和基因表达。

单细胞免疫组库如何做？

2015年，10× Genomics发布了基于微流控和油滴包裹技术的Chromium单细胞系统平台，可实现高通量的单细胞转录组和单细胞V（D）J测序。不但可以将TCR／BCR双链完美匹配，而且可以细化到单细胞水平，同时获得表达谱信息。

BCR及TCR测序算法概述：

对组装的每一个contig，我们利用CDR3s的侧翼序列是保守的这一事实来搜索CDR3序列。我们将来自V和J参考片段的motifs与人类和小鼠进行比较。

满足下列条件，该条件被称为“有生产力productive ”：

完整的长度要求。重叠部分与V基因的起始部分匹配。该基因继续延伸，最终与J基因的末端相匹配。

起始要求。V的起始部分匹配contig上的起始密码子。注意，在10x提供的人类和小鼠参考序列中，每个V段都以一个起始密码子开始。

连续性。在V开始和J结束之间没有终止密码子。

位置。J停止减去V开始等于1模3。这就是说V和J段上的密码子在坐标系中。

CDR3上要求。有一个带注释的CDR3序列。＋结构要求。设VJ为V段和J段长度之和。让len表示J停止减去V开始，在contig上测量，那么VJ － len在－25和＋25之间，除了IGH，它必须在－55和＋25之间。这个条件是为了防止不可能与功能蛋白相对应的异常结构变化。

主要应用：

免疫组库可以捕捉肿瘤发生时免疫微环境的变化，寻找免疫治疗的靶点，从而辅助免疫治疗更好的抗击肿瘤。

器官或者骨髓移植时，经常会诱发宿主排斥反应的发生，从而发生慢性移植抗宿主病。

自身免疫免疫性疾病是由于机体对自身抗原发生免疫反应而导致自身组织损害所引起的疾病。

免疫组库在感染性疾病、抗体开发、用药及疫苗评估等多个方面均有应用价值。例如通过免疫组库研究，可以检测感染类疾病过程中的免疫动态变化；

在抗体开发方面，可以获得特征性的BCR（Ig）序列，缩短抗体开发的流程；也可以针对某种疾病用药后的外周血样本进行评估，确认药物是否激发免疫反应及其功效。

免疫治疗领域的细胞检测及监测。

来源：大分子生物医药网站