文獻(xiàn)信息
【文章標(biāo)題】Single-cell sequencing of human midbrain reveals glial activation and a Parkinson-specific neuronal state
【發(fā)表雜志】Brain（IF：15.255）
【發(fā)表時間】2022年4月
【應(yīng)用技術(shù)】10x Genomics snRNA-seq
【關(guān)? 鍵? 詞】帕金森疾舶Ь（Parkinson’s disease），小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞（Microglia）外构，中腦黑質(zhì)（Midbrain substantia nigra），神經(jīng)退行性疾哺鼓伞（Neurodegenerative diseases）
閃光點
1张症、 通過特發(fā)性帕金森中腦組織單核測序能庆，形成第一個單核RNA測序數(shù)據(jù)集，細(xì)胞注釋發(fā)現(xiàn)只在疾病組中存在的代表功能失調(diào)多巴胺能神經(jīng)元的細(xì)胞群颁湖。
2宣蠕、 通過帕金森患者和對照的分析，發(fā)現(xiàn)了小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的疾病特異性增加及少突膠質(zhì)細(xì)胞的缺失甥捺，擬時分析發(fā)現(xiàn)對錯誤折疊蛋白的應(yīng)激反應(yīng)是帕金森炎癥信號的主要觸發(fā)條件抢蚀。
3、 結(jié)合帕金森GWAS數(shù)據(jù)和具有細(xì)胞類型特異性的基因表達(dá)模式镰禾，分析帕金森風(fēng)險變異基因的富集情況皿曲，將帕金森患病風(fēng)險與中腦組織中的細(xì)胞類型聯(lián)系起來。
方法與結(jié)論
樣本：特發(fā)性帕金森患者和對照樣本的死后中腦組織樣本
帕金森病是一種復(fù)雜的神經(jīng)退行性疾病羡微，超過20種基因的突變與該疾病有關(guān)谷饿。迄今為止，全基因組關(guān)聯(lián)研究已經(jīng)確定了90個獨立的風(fēng)險相關(guān)變異妈倔，然而這些變異在疾病發(fā)展中的相關(guān)作用并不明晰[1-2]博投。同時以往的研究大都基于 bulk 水平的轉(zhuǎn)錄組，或者基于激光捕獲顯微解剖的多巴胺能神經(jīng)元細(xì)胞分析盯蝴，未能解開與帕金森疾病相關(guān)的不同細(xì)胞類型特異性貢獻(xiàn)毅哗。因此在疾病研究中，單細(xì)胞測序可以增加我們從不同類型細(xì)胞貢獻(xiàn)對疾病影響進(jìn)行分析的角度[3]捧挺。
發(fā)現(xiàn)新的細(xì)胞類型如何判斷來源和注釋
對 5 例特發(fā)性帕金森患者和 6 例對照樣本的死后中腦組織樣本進(jìn)行單核 RNA 測序虑绵，通過細(xì)胞注釋得到 12 個細(xì)胞群，其中除了通過基因表達(dá)標(biāo)記的常見細(xì)胞類型外闽烙，作者發(fā)現(xiàn)了一個由 120 個細(xì)胞組成的神經(jīng)元細(xì)胞群翅睛，其特征為高表達(dá) CADPS2 基因，但無法根據(jù)已知的標(biāo)記基因?qū)ζ溥M(jìn)行注釋黑竞。并且有意思的是捕发，這些CADPS2high?細(xì)胞幾乎全部來源于帕金森患者組（圖1）。
為了對這群細(xì)胞進(jìn)行注釋很魂，首先對基因表達(dá)做了分析扎酷。這些神經(jīng)元細(xì)胞除了 TH 基因表達(dá)較低外，表現(xiàn)出與多巴胺能細(xì)胞相似的特征（圖2）遏匆。此外法挨，CADPS2high?細(xì)胞表達(dá)的 TIAM1 水平甚至高于多巴胺能細(xì)胞谁榜。TIAM1 已被確定為 Wnt/Dvl/Rac1 通路的調(diào)節(jié)因子，該通路控制中腦多巴胺能細(xì)胞分化凡纳。因此窃植，作者推斷 CADPS2high 細(xì)胞可能是退化的多巴胺能細(xì)胞。
作者用樣本冷凍中腦組織切片進(jìn)行激光捕獲顯微解剖（Laser-capture microdissection）惫企，包括用于單細(xì)胞測序的 1 例患者樣本和 1 例對照撕瞧，以及4例先前沒有進(jìn)行過研究的 4 例患者樣本和 4 例對照陵叽。從每個樣本中狞尔，分離出 150 個含神經(jīng)黑色素的神經(jīng)元（Neuromelanin-containing neurons），通過數(shù)字 PCR 對其進(jìn)行 CADPS2 基因表達(dá)分析巩掺，其中β -肌動蛋白作為 house keeping 基因偏序。該實驗表明，與具有神經(jīng)黑色素沉積的對照組多巴胺能細(xì)胞相比胖替，帕金森組的 CADPS2 與β -肌動蛋白比例明顯更高研儒，表明 CADPS2 高的細(xì)胞確實是多巴胺能來源的（圖3）。
從不同細(xì)胞類型基因表達(dá)探究對帕金森疾病的影響
通過對帕金森組和對照組中不同細(xì)胞亞群的比較独令，發(fā)現(xiàn)帕金森病中腦中端朵，小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的比例增加，少突膠質(zhì)細(xì)胞的比例減少燃箭。進(jìn)一步冲呢，對這些有比例變化的細(xì)胞進(jìn)行再分群。
以小膠質(zhì)細(xì)胞為例招狸，文章鑒定了七個小膠質(zhì)細(xì)胞亞群敬拓，這些亞群以高表達(dá)基因進(jìn)行標(biāo)記。對由 P2RY12裙戏、GPNMB 和 HSP90AA1 高表達(dá)定義的三個細(xì)胞數(shù)量最多的亞群進(jìn)行擬時分析乘凸。結(jié)果顯示小膠質(zhì)細(xì)胞的激活軌跡從 P2RY12high?細(xì)胞跨越到兩個激活分支惋嚎，一個包含 GPNMBhigh 細(xì)胞因痛，另一個包含 HSP90AA1 high或 IL1Bhigh?細(xì)胞（圖4）垫竞。
分析小膠質(zhì)細(xì)胞激活軌跡中相關(guān)的變化基因癞揉，GO 分析顯示功能富集于細(xì)胞因子分泌和對未折疊蛋白通路的應(yīng)激反應(yīng)勺爱。為了與帕金森疾病關(guān)聯(lián)恤筛，作者將軌跡相關(guān)基因與帕金森組差異上調(diào)基因取了交集鬓梅，鑒定出 29 個與特發(fā)性帕金森病中腦小膠質(zhì)細(xì)胞差異激活相關(guān)的基因花沉。文章同時對星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞做了類似的分析渔嚷。
單細(xì)胞基因表達(dá)與疾病風(fēng)險變異結(jié)合分析
為了深入了解帕金森病相關(guān)遺傳變異如何影響中腦細(xì)胞进鸠，文章對中腦細(xì)胞特異性表達(dá)基因與帕金森病相關(guān)遺傳變異進(jìn)行了富集分析。首先將以往GWAS研究中得到的相關(guān)基因標(biāo)記到參考基因組上形病，使用MAGMA基因集分析客年，對每種細(xì)胞類型中的差異表達(dá)基因或細(xì)胞類型特異性表達(dá)基因進(jìn)行分析[4]霞幅。
結(jié)果顯示，帕金森病風(fēng)險變異與小膠質(zhì)細(xì)胞量瓜、神經(jīng)元司恳、星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突前體細(xì)胞顯著相關(guān)。在GO绍傲、KEGG和Reactome分析中扔傅，發(fā)現(xiàn)了多巴胺能細(xì)胞中的“磷酸化”和“激酶活性”以及小膠質(zhì)細(xì)胞中的“NLRP3炎性體復(fù)合物”等富集，支持了炎癥信號在帕金森中的作用（圖5）烫饼。
這篇文章整合全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組（scRNA-seq）數(shù)據(jù)猎塞，表征了中腦所有細(xì)胞類型對帕金森病病理學(xué)的貢獻(xiàn)，在單個細(xì)胞的水平上深入探究了特發(fā)性帕金森疾病的關(guān)鍵分子變化特征杠纵，為研究帕金森病的炎癥和免疫治療提供了新的線索和思路荠耽。
參考文獻(xiàn)
[1] Blauwendraat C, Nalls MA, Singleton AB. The genetic architecture of Parkinson's disease.?Lancet Neurol. 2020;19(2):170-178. doi:10.1016/S1474-4422(19)30287-X IF: 48.0 Q1 B1 IF: 48.0 Q1 B1
[2] Corces MR, Shcherbina A, Kundu S, et al. Single-cell epigenomic analyses implicate candidate causal variants at inherited risk loci for Alzheimer's and Parkinson's diseases.?Nat Genet. 2020;52(11):1158-1168. doi:10.1038/s41588-020-00721-x IF: 30.8 Q1 B1 IF: 30.8 Q1 B1
[3] Smaji? S, Prada-Medina CA, Landoulsi Z, et al. Single-cell sequencing of human midbrain reveals glial activation and a Parkinson-specific neuronal state.?Brain. 2022;145(3):964-978. doi:10.1093/brain/awab446 IF: 14.5 Q1 B1 IF: 14.5 Q1 B1
[4] de Leeuw CA, Mooij JM, Heskes T, Posthuma D. MAGMA: generalized gene-set analysis of GWAS data.?PLoS Comput Biol. 2015;11(4):e1004219. Published 2015 Apr 17. doi:10.1371/journal.pcbi.1004219 IF: 4.3 Q1 B2 IF: 4.3 Q1 B2
