空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)在人類(lèi)疾病臨床研究中的應(yīng)用案例（上）

空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)（ST）和單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq）的結(jié)合是連接人類(lèi)組織病理表型和分子改變的關(guān)鍵組成部分，定義了原位細(xì)胞間分子通訊和時(shí)空分子醫(yī)學(xué)知識(shí)。ST在人類(lèi)疾病中的潛在應(yīng)用是臨床和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的重要問(wèn)題之一，包括神經(jīng)學(xué)、胚胎發(fā)育、腫瘤學(xué)和炎癥學(xué)。因此，明確的臨床目標(biāo)、設(shè)計(jì)、采樣程序和方案的優(yōu)化、ST的可重復(fù)性以及分析和解釋的簡(jiǎn)化是將ST轉(zhuǎn)換到臨床的關(guān)鍵。

本期推送為大家?guī)��?lái)2篇空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)在神經(jīng)學(xué)中的應(yīng)用案例。

神經(jīng)系統(tǒng)的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)為理解單個(gè)神經(jīng)元的類(lèi)型、位置、樹(shù)突結(jié)構(gòu)、軸突投射和相應(yīng)功能提供了新的見(jiàn)解。

案例一

使用Fiji “Analyze particles”插件和ST pipeline（一種用于獨(dú)特轉(zhuǎn)錄本空間映射的自動(dòng)化管道）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用分層隨機(jī)抽樣ST測(cè)量小鼠脊髓和ALS患者的死后組織的基因表達(dá)，區(qū)分早期小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞之間的區(qū)域差異，并確定ALS模型和患者脊髓病理學(xué)之間轉(zhuǎn)錄途徑的干擾。在ALS誘導(dǎo)后，在小鼠體內(nèi)動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)約11138個(gè)基因的空間分布，并從ALS患者的脊髓樣本中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)9624個(gè)基因。這項(xiàng)特別的研究定義了基因表達(dá)在組織中的明確定位和多維分布，并描述了退行性疾病的新機(jī)制，例如TREM2-TYROBP復(fù)合物、Apoe、Lpl、B2m和Cx3cr1在不同階段和位置的表達(dá)。

在神經(jīng)退行性疾病模型中，Trem2和Tyrobp形成受體復(fù)合物，當(dāng)與膜脂或脂蛋白復(fù)合物結(jié)合時(shí)，可觸發(fā)吞噬或調(diào)節(jié)細(xì)胞因子信號(hào)。在癥狀出現(xiàn)之前，腹角和白質(zhì)中的酪氨酸結(jié)合蛋白表達(dá)上調(diào)，而在Trem2表達(dá)之前，酪氨酸結(jié)合蛋白表達(dá)上調(diào)。Lp1和B2m在癥狀出現(xiàn)前上調(diào)，尤其是在腹角。Apoe和Cx3cr1在癥狀小鼠的脊髓中上調(diào)。載脂蛋白E的表達(dá)受Trem2信號(hào)和Trem2配體的驅(qū)動(dòng)。

案例二

使用ST pipeline進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從死后腦組織的ST圖譜中發(fā)現(xiàn)了6條疾病相關(guān)途徑中的16個(gè)失調(diào)轉(zhuǎn)錄本。其中，代謝型谷氨酸受體3和泛素特異性蛋白酶47進(jìn)一步與互補(bǔ)分子病理學(xué)確定為空間疾病特異性靶點(diǎn)。代謝型谷氨酸受體3對(duì)谷氨酸神經(jīng)傳遞和突觸可塑性的失調(diào)，泛素特異性蛋白酶47對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和基因組完整性的失調(diào)，可以作為臨床治療的新選擇。

在肌萎縮側(cè)索硬化（ALS）模型中，C9orf72重復(fù)擴(kuò)增、突變SOD1和sALS中前額葉和運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)GRM3基因的表達(dá)較低。GRM3基因編碼代謝型谷氨酸受體mGlu3，調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)中谷氨酸的神經(jīng)傳遞。神經(jīng)元mGlu3受體的表達(dá)主要在突觸前終末。當(dāng)突觸外谷氨酸過(guò)度溢出時(shí)，G蛋白信號(hào)級(jí)聯(lián)被激活，以調(diào)節(jié)突觸前離子通道的活動(dòng)，然后負(fù)調(diào)節(jié)突觸前谷氨酸的釋放。前額葉皮質(zhì)mGlu3受體表達(dá)的減少增加谷氨酸的傳遞并產(chǎn)生興奮性毒性的調(diào)節(jié)可能是精神分裂癥和ALS的共同機(jī)制特征。

參考文獻(xiàn)：

[1] Maniatis S, Äijö T, Vickovic S, et al. Spatiotemporal dynamics of molecular pathology in amyotrophic lateral sclerosis. Science. 2019;364(6435):89-93. doi:10.1126/science.aav9776

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