细胞核分离试剂盒应用文章|脑单细胞转录组学结果揭示了:百草枯对帕金森病伴重度抑郁症的共病相关细胞类型特异性变化的影响

本文的研究背景主要围绕百草枯（PQ）暴露对帕金森病（PD）和重度抑郁症（MDD）共病的影响展开。百草枯是一种广泛使用的除草剂，具有高度的环境神经毒性，与PD和MDD的发生密切相关。由于其广泛应用和自然降解缓慢，百草枯在水、土壤和食物中积累，对人类健康构成重大风险。尽管已知各种脑细胞类型在PD和MDD病因学中的作用，但PQ神经毒性下PD和MDD共病中涉及的特定细胞亚型仍知之甚少。另外有研究表明，神经递质紊乱、脑结构损伤、代谢过程受损和神经炎症反应可能促进PD患者MDD的发生，但具体机制尚不清楚。

伯优^®细胞核分离试剂盒

本研究旨在通过单细胞RNA测序技术分析百草枯暴露下PD和MDD共病小鼠模型的脑细胞异质性，识别与共病相关的特定细胞亚型，并探索其潜在机制，以期为PD和MDD共病的早期诊断和治疗提供新的见解。

1.脑部单细胞RNA测序揭示了PQ导致的与PD或MDD相关的1特定基因表达紊乱

为了研究PQ对各种类型脑细胞中与PD或MDD相关基因表达的影响，研究者对暴露于10 mg/kg PQ的小鼠大脑和接受生理盐水对照的小鼠大脑进行了scRNA-seq分析。结果发现所有样本中有26种不同的细胞亚型。通过检查每种细胞类型特异性标志物的表达，这些簇被手动分类为神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞、少突胶质细胞和内皮细胞。暴露组和对照组的小鼠均含有所有细胞类型。

为了在PQ暴露组和对照组之间按细胞类型检查PD相关或MDD相关的风险基因，研究者使用差异表达基因分析分别从GEO来源的PD或MDD数据集中识别PD或MDD相关的风险基因。DEG火山图表明识别PD或MDD相关风险基因的有效性，在此基础上，对每种疾病的统计显著风险基因使用scRNA-seq进行了进一步分析。

同时，通过GSVA量化了PQ暴露前后每个单细胞中这些PD或MDD相关风险基因的表达水平。由此识别出了不同细胞类型中疾病相关风险基因表达水平的变化。结果表明，PQ暴露后，神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞中的PD相关风险基因发生了显著变化。使用GO和KEGG方法分析各种细胞类型中显著改变的PD相关风险基因显示，PQ特别影响了神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞中的突触传递调节。此外，PQ在PD进展过程中干扰了小胶质细胞中的免疫反应，并改变了内皮细胞中的能量代谢。

与PD相关风险基因不同，MDD相关风险基因在PQ暴露后，特别是在神经元和星形胶质细胞中显示出显著变化。对每种细胞类型中显著改变的MDD相关风险基因进行GO和KEGG分析显示，PQ暴露特别影响了神经元中的化学突触功能，星形胶质细胞中的神经投射发育，小胶质细胞中的免疫反应，内皮细胞中的血管功能，以及少突胶质细胞中的分解代谢过程。以上发现表明这些细胞类型在MDD中的不同作用，与其在PQ暴露后PD发展中的作用相比。

总体而言，脑组织的scRNA-seq结果显示，PQ以细胞类型特异性方式诱导了PD相关或MDD相关变化，表明不同的脑细胞类型在PQ暴露后的PD或MDD相关变化中可能发挥不同的作用。

2. PQ暴露后，星形胶质细胞在共病相关风险基因中表现出最显著的变化水平

研究者对识别到的PD和MDD中的共同风险基因，进行了共病相关分析。基于RNA-seq的PD和MDD数据集，通过差异表达基因分析识别了161个PD相关和MDD相关风险基因的重叠基因，并将这些基因视为共病相关风险基因。GO富集表明，这些共病相关风险基因主要参与与能量代谢过程、氧化应激和突触功能相关的生物过程和分子功能。

GSVA发现，与对照组相比，PQ暴露组中星形胶质细胞和神经元中共病相关风险基因的表达水平发生了显著变化。与其他细胞类型相比，星形胶质细胞在PQ暴露后共病相关风险基因的表达水平变化最为显著。为了研究PQ暴露后星形胶质细胞的基础功能，将PQ暴露模型中星形胶质细胞的DEG进行KEGG和GO富集分析。KEGG富集显示，星形胶质细胞参与了PQ暴露后PD相关和MDD相关通路，证实了它们在PQ暴露模型中PD和MDD共病中的主导作用。PQ破坏了涉及多种神经递质的化学突触调节、葡萄糖脂质代谢、能量代谢和星形胶质细胞中的细胞反应通路。GO富集分析进一步证实，PQ暴露特别影响了星形胶质细胞中的化学突触调节和能量代谢通路。此外，它还显示PQ改变了星形胶质细胞中与大脑结构发育和神经投射形成相关的通路。

为了验证PQ暴露后星形胶质细胞的变化，又对神经胶质纤维酸性蛋白（GFAP）进行了免疫染色。结果可以看出，PQ暴露诱导了皮层、海马、黑质和杏仁核中GFAP强度的显著增加，表明PQ暴露后星形胶质细胞的活化。已有文章指出，过度活化的星形胶质细胞表现出增加的形态复杂性。因此，又进行了Sholl分析来评估星形胶质细胞的形态变化。PQ暴露组的星形胶质细胞在所有这些脑区都表现出明显增加的形态复杂性，证实了PQ诱导了星形胶质细胞的过度活化。

综上所述，这些发现表明，星形胶质细胞是与PQ暴露模型中PD和MDD共病发展最相关的细胞类型，并且PQ可以诱导星形胶质细胞的活化和形态变化。

3. 特定的星形胶质细胞亚型与PQ暴露小鼠模型中PD与MDD共病相关变化最相关

星形胶质细胞无监督聚类显示，基于不同的基因表达谱有8种亚型。

为了阐明不同星形胶质细胞亚型在PQ暴露后共病相关变化中的作用，研究量化了PQ暴露组和对照组中所有星形胶质细胞亚型中共病相关风险基因的表达水平。结果发现，8种星形胶质细胞亚型中有5种（Astro_1至5）在PQ暴露后共病相关风险基因的表达水平发生了变化。其中，Astro_3在共病相关风险基因的表达中表现出最显著的变化，与其他亚型相比，其变化表达水平明显更高。GO和KEGG富集分析表明，Astro_3可能参与了PQ暴露模型中与PD和MDD发病机制相关的通路，并有助于与多种化学突触、轴突和神经元投射调节相关的生物过程。

总体而言，这些发现表明，Astro_3与PQ暴露后PD和MDD共病相关变化最为密切，表明Astro_3可以被视为负责PQ暴露模型中PD和MDD共病发展的共病特异性细胞亚型。

4. PQ干扰了共病特异性星形胶质细胞亚型与PD特异性DA神经元或MDD特异性VGluT2神经元之间的相互作用

基于scRNA-seq推断的配体-受体信号传导，研究者了潜在的细胞间相互作用。结果发现，Astro_3亚型与DA神经元和VGluT2神经元相互交互，而PQ暴露后它们的相互作用减少。这表明，PQ干扰了Astro_3与DA或VGluT2神经元之间的神经发生和突触相关细胞间通讯。

随后，研究又对scRNA-seq进行了伪时序分析，以探索PQ暴露模型中异质簇细胞分化过程中基于转录变化的潜在细胞间关系。结果发现，DA神经元和VGluT2神经元在PQ暴露后都向Astro_3亚型极化，表明PQ可以诱导PD特异性或MDD特异性亚型与共病特异性亚型之间的显著翻译关系。为了进一步识别动态表达变化的基因，又对沿轨迹的基因表达模式进行了功能富集分析。结果显示，从DA神经元向Astro_3亚型翻译过程中显著表达变化的基因主要参与突触功能调节、神经递质动力学、神经退行性疾病、轴突和钙通道的通路。类似地，从VGluT2神经元向Astro_3亚型翻译过程中显著变化的基因涉及神经元投射发育和突触及神经递质调节的通路。

综上所述，细胞间通讯和伪时间分析表明，Astro_3亚型、DA神经元和VGluT2神经元之间存在相互交互关系。两个单病特异性亚型与共病特异性亚型之间的相互作用可以部分解释Astro_3亚型介导PD和MDD共病的潜在机制。

5. RNF7和MTCH2是PQ暴露模型中PD与MDD共病的星形胶质细胞特异性诊断标志物

使用ROC曲线的分析结果，验证了每个基因在PD与MDD共病中的诊断效能，发现RNF7、TAC1和MTCH2具有最高的AUC，表明它们具有显著的诊断重要性。

鉴于星形胶质细胞是与PQ暴露模型中与共病相关变化最相关的细胞类型，研究又探讨了这些共享中枢基因在PQ暴露后星形胶质细胞中的变化，以识别星形胶质细胞特异性诊断标志物。t-SNE的结果表明，只有RNF7、SIRPA和MTCH2在星形胶质细胞中高度表达。此外，只有RNF7和MTCH2在PQ暴露后星形胶质细胞中显著改变。

因此，研究者又在PQ暴露模型中验证RNF7和MTCH2的表达。我结果表明，PQ暴露后，RNF7和MTCH2在皮层、海马、黑质和杏仁核中的表达显著增加。此外，RNF7和MTCH2与GFAP的共定位在PQ暴露组中所有脑区都显著增加，表明PQ暴露后功能星形胶质细胞中它们的表达水平增加。

以上结果表明，RNF7和MTCH2可能是PQ暴露模型中PD和MDD共病的重要星形胶质细胞特异性诊断标志物。 

本研究通过sc-RNA seq，分析了百草枯暴露下帕金森病（PD）和重度抑郁症（MDD）共病小鼠模型的脑细胞异质性。同时，文章还识别了RNF7和MTCH2这两个星形胶质细胞特异性基因，它们在百草枯暴露后表达显著增加，可能作为PD和MDD共病的早期诊断标志物。这项研究首次揭示了百草枯暴露下PD和MDD共病的细胞异质性，强调了星形胶质细胞及其亚型在共病发生中的关键作用，为PD和MDD共病的早期诊断和靶向治疗提供了新的生物标志物和潜在的治疗靶点。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0147651324012697