Nat Neurosci|突破!哈佛大学团队揭示阿尔茨海默病进展中的星形胶质细胞时空转录组变化

学术   2024-11-18 00:02   上海  

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来源七  七

责编︱王思珍


阿尔茨海默病AD的定义是淀粉样蛋白斑块和磷酸化taupTau在整个大脑中的广泛积累,后者遵循刻板的时空分层模式。这些AD神经病理改变(ADNC伴随着突触和神经元的显著丧失,以及胶质细胞的显著形态和功能改变[1]。星形胶质细胞对维持大脑内稳态至关重要,反应性星形胶质细胞可能通过获得毒性功能和丧失正常功能而导致神经退行性变[2-5]。最近的测序研究也开始揭示人类AD大脑中反应性星形胶质细胞的分子基础[6-9],但仍存在几个问题,1在正常衰老的大脑中星形胶质细胞基因表达是否存在区域差异?2随着AD的时空进展,星形胶质细胞的基因表达发生了哪些变化,ADNC的严重程度如何影响星形胶质细胞转录组?3AD脑中是否存在不同的星形胶质细胞转录亚群或动态状态?然而,星形胶质细胞在阿尔茨海默病(AD)神经病理学时空进展中的变化仍未被研究。


近期,美国哈佛大学哈佛医学院Sudeshna Das团队在Nature Neuroscience上发表了题为“Astrocyte transcriptomic changes along the spatiotemporal progression of Alzheimer’s disease”的文章。在这里,作者对来自5个大脑区域的628,943个星形胶质细胞进行了单核RNA测序,这些星形胶质细胞能够表征从正常衰老到严重阿尔茨海默病的整个过程中的典型进展。作者绘制了几个独特的星形胶质细胞亚簇,它们对AD易感神经网络(空间轴AD病理阶段时间轴的神经病理表现出不同的反应。稳态、中间和反应性星形胶质细胞的比例仅沿空间轴变化,而另外两个亚簇沿时间轴变化。一个是营养因子丰富的亚群,随着病理分期而表达下降;而另一个在晚期增加,但在终末期恢复到基线水平,表明慢性暴露于神经病理学导致的耗竭反应。总之,作者的研究强调了AD中星形胶质细胞反应的复杂时空动力学。



作者利用荧光激活核分选(FANS技术,从32名从正常老龄到重度阿尔茨海默病AD病理连的个体中的五个大脑区域富集得到了628943个星形胶质细胞核。作者根据淀粉样蛋白斑块和磷酸化tau蛋白pTau神经纤维缠结NFT的测量结果,将这32名受试者划分为4个病理阶段。结果显示,斑块负荷在大脑区域间相对稳定,而pTau/tau比在内嗅皮质最高,并呈现从内嗅皮质到视皮质的等级性累积模式,与神经网络的分层病理传播一致。这种富集策略大大提高了星形胶质细胞转录组数据的质量和数量,为深入研究星形胶质细胞在AD疾病进程中的转录组学变化奠定了基础。

1 阿尔茨海默病典型影响的五个脑区星形胶质细胞的分子研究


作者将大脑区域按照对神经纤维缠结NFT的易感性从高到低进行排序,并对星形胶质细胞的差异表达进行分析,发现了6个呈现不同表达模式的基因组簇。其中两个基因组簇1和簇2的表达与大脑区域的磷酸化tau蛋白pTau/tau比呈正相关和负相关,提示这些基因与pTau相关。另一个基因组簇3仅与淀粉样蛋白斑块负荷呈正相关,提示与相关。还有两个基因组簇5和簇6pTau水平均呈正/负相关,可能代表了广泛反应性的上调和下调基因特征。分析发现,部分区域性差异在正常老龄对照样本中已存在,可能与每个脑区的特殊微环境因素有关。总的来说,星形胶质细胞的转录组学改变与阿尔茨海默病病理在神经网络中的典型传播过程相一致,部分与局部pTau水平相关,部分又受区域性微环境因素的影响。

2 AD中星形胶质细胞转录组变化的典型空间进展


作者将病理阶段从早期到晚期进行分析,发现6个不同的时间表达模式基因组簇。其中一个基因组簇1在早期表达最高,之后逐渐下降,可能代表了星形胶质细胞的稳态基因特征,包括多种营养因子、细胞外基质、细胞骨架等。另一个基因组簇2在中期表达达峰,可能代表了星形胶质细胞对初期阿尔茨海默病变性的反应,包括营养因子、细胞外基质、细胞骨架、神经炎症等。还有两个基因组簇3和簇4在晚期达到高峰或低谷,但在末期又恢复到基线水平,提示星形胶质细胞对斑块和NFT的反应最终会耗竭。另外两个基因组簇5和簇6在末期出现特殊的表达模式,包括谷氨酸代谢、细胞外基质、脂质代谢等。这些时间相关的基因组簇与先前确定的空间相关基因组簇基本没有重叠,表明星形胶质细胞的转录组学改变由脑区微环境、Aβ/pTau水平以及暴露时间共同调控。

3 AD星形胶质细胞转录组变化的典型时间进展


传统上认为星形胶质细胞可分为稳态和反应性两大类,但本研究发现其实现有更复杂的分类。作者通过随机抽取500个细胞核进行整合和聚类,将星形胶质细胞分为9个不同的亚群:astH0亚群表现出稳态原型星形胶质细胞的特征,表达谷氨酸能、GABA能神经递质相关基因、钾离子通道、细胞黏附分子等。astR1astR2亚群显示出不同程度的反应性特点,表达GFAPS100B、应激应答、细胞外基质和氧化应激相关基因。astR0亚群则进一步富集了细胞外基质基因。astIM亚群表现出介于稳态和反应性之间的特点。astMetastTinf亚群则表现出独特的功能特征,涉及代谢、金属硫蛋白、生长因子和炎症信号通路。免疫组化和荧光原位杂交进一步验证了这些亚群特异标记基因的空间表达模式。综上所述,这些结果表明星形胶质细胞远不止传统认为的稳态和反应性两大类,而是呈现出更加复杂和细分的亚群特性。

4 聚类显示稳态、反应性和中间星形胶质细胞


作者从空间和时间两个维度探讨了星形胶质细胞在阿尔茨海默病发展过程中的转录组学变化。结果表明,星形胶质细胞在不同脑区和病理阶段呈现出复杂的动态变化模式,而非代表固定的细胞亚型。在空间维度上,星形胶质细胞的基因表达谱随着阿尔茨海默病变性在大脑中的传播而呈现出特定的变化模式,与局部的磷酸化tau病理密切相关。而在时间维度上,星形胶质细胞经历了由稳态到应激反应性的转变,并最终出现疲劳耗竭等终末状态,这可能是由于长期暴露于积累的淀粉样蛋白斑块和神经纤维缠结所致。此外,作者发现这些转录组学变化对应于星形胶质细胞的不同亚群,它们在频率和marker基因表达上均随着病理进程发生动态调整。总之,这种对阿尔茨海默病变性的时空响应反映了星形胶质细胞在疾病发生发展中的复杂作用。

5 星形胶质细胞转录组变化的动力学


文章结论与讨论,启发与展望

作者对32名来自正常衰老-严重AD连续体的供体五个脑区的星形胶质细胞进行snRNA-seq测序,提供了正常衰老大脑中星形胶质细胞区域多样性的证据,证明了它们在慢性暴露于ADNC时转录组反应的复杂性,并揭示了在稳态和反应性星形胶质细胞之间过渡的中间状态的存在。总的来说,作者的研究结果强调了星形胶质细胞的关键功能改变,包括蛋白质和代谢相关的变化,这表明星形胶质细胞从适应性反应到适应不良功能障碍的复杂轨迹导致了AD的进展。这一大型数据集的分析为揭示正常衰老大脑中星形胶质细胞转录组的区域异质性以及AD大脑中星形胶质细胞激活和失活的转录组程序响应ADNC的典型时空进展提供了重要线索。作者虽然从基因表达模式推测了各亚群的可能功能,但缺乏直接的功能学实验验证。更多的体外或动物模型实验可能有助于阐明这些亚群在疾病机制中的具体作用。


原文链接:DOI:10.1038/s41593-024-01791-4


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参考文献
1 Escartin, C. et al. Reactive astrocyte nomenclature, definitions, and future directions. Nat. Neurosci. 24, 312–325 (2021).

2 Orre, M. et al. Isolation of glia from Alzheimer’s mice reveals inflammation and dysfunction. Neurobiol. Aging 35, 2746–2760(2014).

3 Srinivasan, K. et al. Untangling the brain’s neuroinflammatory and neurodegenerative transcriptional responses. Nat. Commun. 7,11295 (2016).

4 Jiwaji, Z. et al. Reactive astrocytes acquire neuroprotective as well as deleterious signatures in response to Tau and Aβ pathology. Nat. Commun. 13, 135 (2022).

5 Habib, N. et al. Disease-associated astrocytes in Alzheimer’s disease and aging. Nat. Neurosci. 23, 701–706 (2020).

6 Mathys, H. et al. Single-cell transcriptomic analysis of Alzheimer’s disease. Nature 570, 332–337 (2019).

7 Grubman, A. et al. A single-cell atlas of entorhinal cortex from individuals with Alzheimer’s disease reveals cell-type-specific gene expression regulation. Nat. Neurosci. 22, 2087–2097(2019).

8 Zhou, Y. et al. Human and mouse single-nucleus transcriptomics reveal TREM2-dependent and TREM2-independent cellular responses in Alzheimer’s disease. Nat. Med. 26, 131–142 (2020).

9 Leng, K. et al. Molecular characterization of selectively vulnerable neurons in Alzheimer’s disease. Nat. Neurosci. 24, 276–287 (2021).
编辑︱王思珍
本文完



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