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单细胞转录测序新发现:神经元容易在帕金森氏症中死亡

2022-06-09 04:43:03

5月5日,哈佛大学布罗德研究所和麻省剑桥麻省理工学院的Evan Macosko教授领导的研究团队在《自然神经科学》上发表了一项研究报告,文章表明,研究人员使用转录组分析确定了人类黑质致密部中10种转录不同的多巴胺能(DA)神经元群;其中一种以SOX6和AGTR的表达为标志,在PD和路易体痴呆(DLB)患者中选择性地退行性变;这些细胞位于黑质的腹侧部分,比其他任何多巴胺能神经元亚型表达更多PD风险基因,这表明这些突触核蛋白病中的神经变性是一个细胞内在过程,而不是由其他细胞造成的。

在帕金森病的研究进程中,DA神经元选择性脆弱的分子机制研究一直进展缓慢。研究人员通过单细胞 RNA 测序技术确定了区分坚韧和脆弱神经元的基因表达谱。然而,由于黑质致密部的体积很小,内部和周围存在大量细胞,梳理 DA 神经元以及它们的不同亚群就成为一项十分棘手的工作。此外,之前的单细胞转录研究很难检测到不同的细胞亚群,因此也无法在样本之间进行可靠的比较。

为了从死后的大脑样本中获取更多的细胞核,Tushar Kamath和Abdulraouf Abdulraouf教授及其同事首先确定独特的核标记物 (Nr4a2),这是一种只有 DA 神经元表达的转录因子。然后他们从8名没有神经退行性疾病的死者黑质样本中分离出细胞核。通过Nr4a2分选,研究人员获得了5684个DA神经元核并用于RNA测序分析,该数量是之前研究样本数量的180倍。

 单细胞转录测序新发现:神经元容易在帕金森氏症中死亡

研究人员从死后的大脑中提取出黑质致密部,分离出细胞核,并使用 NR4A2 蛋白分选出来自DA神经元的细胞核,以进行转录组分析。[Courtesy of Kamath et al., Nature Neuroscience, 2022.]

通过比较多个样本转录本,Kamath教授从DA神经元群中提取了10个不同的转录组亚群。这些亚群在DA神经元标志物SOX6和CALB1的表达上存在明显差异,其中四个亚群优先表达 SOX6,而另外六个倾向于表达CALB1。

研究人员在猕猴黑质中发现了10个相似的DA神经元转录组亚群。有趣的是,在小鼠和大鼠中,他们检测了所有亚群,只有一个亚群以CALB1和GEM的表达为标志,这表明标志物SOX6和CALB1的表达只发生在灵长类动物中。研究人员正在进一步分析这个亚群,他们预测它可能位于黑质环路的后面,灵长类动物中已经存在这种环路,但啮齿动物目前并没有检查到。Macosko教的团队正在研究这个回路的作用是什么,以及它是否与神经退行性疾病有关。

这些不同类型的DA神经元在黑质中的确切位置到底在哪?为了解决这个问题,研究人员将Slide-Seq技术应用于猕猴黑质,在猕猴SNpc中定位这10个DA神经元亚群。值得注意的是,其中一个以 SOX6 和 AGTR1 表达为标志的亚群完全位于黑质的腹侧部分,这是一个已知在 PD 中变性的区域。

单细胞转录测序新发现:神经元容易在帕金森氏症中死亡 

来自猕猴黑质致密部(左)的区域(圆圈)的 RNA 被转移到DNA条码的珠子阵列中进行空间转录。 SNpc 的腹侧和背侧都包含 DA 神经元(顶部,黑色),但其亚型在 SNpc(中间和底部面板)上的分布不同。浅蓝色的最容易在 PD中死亡。[Courtesy of Kamath et al., Nature Neuroscience, 2022.]

为了确定这些亚群中的哪些神经元最容易在神经退行性疾病中死亡,研究人员对10名死于PD或DLB患者的黑质样本进行了snRNA-Seq检测。结果显示,与健康供体相比,PD或DLB患者DA神经元稀少。AGTR1亚群消耗的最多,这表明这种类型的DA神经元特别容易受到神经变性的影响。相比之下,另外两个表达CALB1的DA神经元亚群在 PD/DLB 患者中保留较多。

其次,表达GPNMB的小胶质细胞亚群被扩大,星形胶质细胞亚群也是如此。这些发现反映了 PD 和 DLB 中重叠的神经退行性机制,它们都是突触核蛋白病,但也有差异。斯德哥尔摩卡罗林斯卡研究所的Ernest Arenas教授在论文随附的评论中指出,DLB 患者除了DA神经元损失及其伴随的运动障碍症状外,还存在认知下降、Aβ斑块和tau缠结。在这种情况下,该分析仅提供了这两种疾病常见变化的信息,疾病特异性变化并没有反映出来,未来则需要对更多的PD或DLB患者样本分析,以进行深入研究。

为了了解DA神经元的AGTR1亚群为何如此容易受到PD或DLB影响,研究人员检测了黑质所有细胞类型的转录组,以寻找与 PD风险相关的基因的表达。其中包括26个已被确定为罕见的家族性PD变异的基因,以及无数个与PD风险相关的常见变异基因。

作为一个整体,DA神经元表达的这些PD风险基因比其他细胞类型都多。在DA神经元中,PD遗传风险基因最 大且具有统计学意义的是AGTR1亚型。

单细胞转录测序新发现:神经元容易在帕金森氏症中死亡

不同细胞类型的转录亚群表达了与PD相关的不同水平的基因。 在10个DA神经元亚群中,只有AGTR1+亚群的PD风险显著增加(上图)。 不同的PD风险基因在SOX6+AGTR1+细胞(红色)、SOX6+ 细胞(橙色)以及更广泛的DA神经元(黄色)中增加。 [Courtesy of Kamath et al., 2022.]

在AGTR1+DA神经元亚群中,哪些细胞通路可能在PD中决定它们的命运?这一点目前尚不清楚,但研究人员发现,在这种易受影响的亚型中,与细胞应激和线粒体功能障碍有关的基因表达有所增加;AGTR1本身编码血管紧张素受体1,并发挥作用;在日本人群中,该基因的变异与PD风险有关,已知的肾素-血管紧张素系统的抑制剂可增强 PD 患者的运动功能。

与DA神经元相比,神经胶质细胞没有表达过多的PD风险基因。这些细胞倾向于表达与AD相关的风险基因。这些发现表明PD患者中神经退行性变主要是细胞的内在过程,而在 AD患者中,神经元死亡更多地与包括小胶质细胞在内的其他细胞类型之间的相互作用相关。

波士顿哈佛医学院的 Ole Isacson 持不同观点。他认为,大多数PD是散发性的,这意味着它是由脆弱的DA神经元与外部压力源相互作用引起的。他解释说细胞中线粒体和细胞应激通路在这个脆弱的亚群中被激活,细胞处于高压之下。平均而言,SNpc DA神经元的氧化应激水平是附近区域神经元的四倍,这种压力的影响会累积,使细胞更容易受到外部损伤,例如环境毒素和神经炎症。Isacson教授称,SNpc中对脂质应激持续炎症反应的标志是表达 GPNMB 的小胶质细胞的比例增加。他的数据与表明TNF-α抑制剂可降低 PD 风险的研究结果相结合,表明脆弱的DA神经元的内在压力和不断增加的神经炎症损伤的共同作用可能会随着年龄的增长而达到神经退行性“沸点”。

马里兰州贝塞斯达国立卫生研究院的Mark Cookson教授同意PD风险基因分析需要更进一步的研究,并指出分析中考虑的几个基因与 PD有不确定的关系。

波士顿布莱根妇女医院的Clemens Scherzer教授称,选择脆弱性是神经退行性疾病的主要谜团之一,这项研究识别出部分中脑中选择性脆弱的DA神经元亚型,并为可能的亚型提供研究思路。

然而,Scherzer 指出,虽然该研究解决了 SNpc 内多巴胺能神经元之间的差异问题,但它并没有解释为什么SNpc DA神经元比邻近腹侧被盖区域的神经元更容易受到PD的影响。 中脑中最 具抵抗力的DA神经元,即 VTA 多巴胺神经元,似乎并没有被包括在内。 

Macosko表示,该实验室目前正在研究位于大脑不同区域以及周围神经系统中的DA神经元的转录组。 他希望研究人员能够探索当前的治疗目标数据集,设计更准确的疾病模型,以及区分细胞替代疗法中最需要的多巴胺能神经元类型。

宁波易赛腾生物科技有限公司  李福云编译

原文链接:

Single-Cell Sleuthing Nabs Neurons Prone to Perish in Parkinson’s | ALZFORUM


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