新型冠状病毒（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2）疫情于2019年末爆发,并导致了新冠肺炎（coronavirus disease 2019,COVID-19）在世界范围内的大流行。COVID-19患者的免疫功能失调是影响患者发病症状和死亡率的一个重要因素。例如,患者的死亡风险率与新型冠状病毒引起的炎症风暴有关。越来越多的证据表明,COVID-19患者可能患有细胞因子释放综合征,体内存在高水平的细胞因子,这也是导致该疾病患者重症和死亡的主要原因之一。基于COVID-19患者中的炎症风暴机制,以白细胞介素-6受体（interleukin-6 receptor,IL-6R）为靶点的托珠单抗等免疫抑制药物,被用于治疗COVID-19患者中这种致病性炎症症状。然而,参与COVID-19患者炎症风暴的细胞和分子来源仍不清楚,其免疫致病机制仍待进一步的研究。单细胞组学尤其是单细胞转录组学作为近些年来生命科学和医学领域的热门和前沿技术在大脑神经、胚胎发育、肿瘤免疫等重大科学领域得到了广泛的应用,特别是在临床疾病的研究中为揭示致病机制和发病机理提供了独特和深入的见解。自新冠病毒爆发以来,以单细胞组学为核心技术的众多研究逐渐加深人们对新冠病毒的认识和理解,从而帮助人们在新冠病毒检测、预防、抗体疫苗开发等方面防御疾病。在众多的研究方向中,了解SARS-CoV-2感染后病毒与宿主之间的相互作用,特别是病毒感染引发的免疫学反应,为解释COVID-19 的病理机制和开发治疗策略建立了免疫学基础。单细胞转录组测序（single-cell RNA sequencing,scRNA-seq）有高通量、低成本、高灵敏度等优势,被我们作为主要的研究技术方法用于阐述COVID-19患者炎症风暴的免疫学反应及其特征。本论文的研究工作主要包括两个部分:在第一部分工作中,我们主要关注SARS-CoV-2感染后COVID-19患者炎症风暴的免疫学特征;而在第二部分工作中,我们主要研究COVID-19、败血症和人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus,HIV）感染患者外周血之间共同的以及疾病特异性的炎症风暴相关的免疫学特征。在第一部分工作中,我们的研究可以分为两个主要内容:基于两例重症COVID-19患者的炎症风暴研究、基于大量COVID-19病例的炎症风暴研究。在第一部分内容的研究中,我们首先对两名重症COVID-19患者在托珠单抗治疗前后的外周血免疫细胞进行了单细胞分析。随后,我们通过比较COVID-19患者的重症患病期、恢复期以及健康对照组确定了一个与炎症细胞因子风暴相关的单核细胞亚群。最后通过差异表达分析和细胞因子受配体相互作用分析,我们发现这种单核细胞可以分泌众多促炎细胞因子,并通过细胞因子介导与其他免疫细胞的相互作用进而导致炎症风暴。鉴于这部分研究使用的样本仅来自两名重症患者,我们后续利用了大规模样本的单细胞转录组数据深入探讨炎症风暴的来源。在这部分内容中,我们首先广泛探索了大数据中不同细胞谱系的多种细胞亚型,并利用自主开发的生物信息学流程定义了七种高炎症细胞亚型。通过大队列细胞比例分析,我们鉴定到与炎症风暴相关的单核细胞亚群和巨核细胞。我们应用细胞通讯算法构建了外周血、肺部、以及外周-肺部中各种炎症细胞亚型之间的细胞因子受配体相互作用图谱,为COVID-19患者外周血与肺部炎症风暴的来源和相互作用提供了丰富的细胞和分子基础。在第二部分工作中,我们使用了基于单细胞整合分析的生物信息学方法对COVID-19、败血症、和HIV感染患者的外周血单个核细胞（peripheral blood mononuclear cell,PBMC）的单细胞转录组数据进行了大规模整合分析。我们采用了自主开发的生物信息学流程确定了十种高炎症细胞亚型,并且发现单核细胞亚群是这三种感染类疾病转录组特征差异的主要来源。通过对单核细胞进行进一步的差异分析,一方面我们发现COVID-19与HIV的促炎症单核细胞亚群具有高表达炎症风暴相关基因的特征,另一方面COVID-19患者中的单核细胞亚群与败血症患者有着共同的免疫抑制特征。为了进一步解释COVID-19患者中的这种炎症差异和异质性,我们构建了 COVID-19患者异质性的“三阶段”模型,并且发现这种“三阶段”异质性模型性与单核细胞中发现的炎症和免疫抑制特征具有相关性。最后,我们利用该论文中相关生物信息学方法研究了反复流产疾病的蜕膜免疫紊乱机制。我们运用多种生物信息学方法系统性研究了反复流产患者蜕膜免疫微环境的相对变化,揭示了 NK细胞的异常发育现象及其背后的紊乱机制,并构建了蜕膜免疫微环境主要细胞类型之间的疾病特异性相互作用网络,为反复流产患者的蜕膜免疫微环境提供了新的见解。总的来说,这项论文工作从不同的角度提供了对SARS-CoV-2感染引发的炎症风暴在细胞水平和分子水平上的见解,也为COVID-19的治疗提供了潜在的指导。