帕金森综合征（Parkinsonism）是一种与运动症状例如动作迟缓，震颤，僵硬，行走不平衡并伴随有认知障碍，精神障碍，睡眠障碍以及疼痛和其他感觉障碍等一系列非运动并发症的大脑退行性疾病。
目前对于帕金森病最多的研究主要集中在黑质多巴胺能神经元上，特发性帕金森病的特征是多巴胺能神经元进行性丧失，但目前确切发病机制在很大程度上仍然悬而未决。尽管最近的研究表明，非神经元细胞和黑质以外的中脑区域也发生了与疾病相关的变化。虽然有一些证据表明神经胶质细胞也参与帕金森病，但分子机制仍然知之甚少。
研究成果
2022年来自卢森堡大学系统生物医学中心和德国的马克斯·普朗克分子遗传学研究所等团队在Brain上发表了题为“Single-cell sequencing of human midbrain reveals glial activation and a Parkinson-specific neuronal state”的文章，该研究团队通过单核RNA测序表征中脑区域所有细胞类型对帕金森病病理学的影响，并使用最新的全基因组去评估帕金森病的细胞类型特异性风险。
文章链接：https://academic.oup.com/brain/article/145/3/964/6469020
目前对帕金森病中神经元 - 神经胶质细胞扰动的理解在很大程度上依赖于缺乏疾病复杂性的充分表征的实验模型。单细胞测序技术的最新发展为克服这些挑战提供了可能性。特别是，单细胞（scRNA-seq）或细胞核（snRNA-seq）的转录分析已被证明是以前所未有的分辨率获得疾病相关变化的全面视图的有效策略。从而揭示与疾病特异性遗传变异的关联性。
研究结果1
这篇文章对特发性帕金森病患者和年龄匹配的对照受试者的死后成人中脑组织进行了snRNA-seq。使用这种方法，作者获得了细胞类型组成的无偏和全局视图，以及特发性帕金森病神经胶质细胞和神经元中以单细胞分辨率的转录图谱。首先，研究团队从五个特发性帕金森病病例中抽取了成人死后中脑组织，病理报告描述了没有帕金森病家族史的SN中严重神经元丢失，接下来病人死后中脑切片做了单个细胞核进行了测序，每个样品获得2000–6000 个高质量细胞核，平均每个细胞核大约7600 个转录本以及2700 个基因，接下来使用UMAP算法将41 435个细胞核转录组进行降维二维分析，发现脑组织由神经胶质细胞、神经元细胞和血管细胞（图1D–E)，其中少突胶质细胞，中脑中最丰富的细胞类型，其特征在于MOBP的表达少突胶质细胞前体细胞（OPCs）高度表达VCAN。然后AQP4的表达是星形胶质细胞的特征和 FOXJ1 用于室管膜细胞 （图1E–G）。
作者接下来发现了一个有趣结果，一个由120个细胞组成的神经元簇，其特征在于CADPS2高表达TIAM1，这些细胞几乎完全来自特发性帕金森病患者（图1G）这些细胞显示出与DaN相似的特征，因为TIAM1已被确定为Wnt/Dvl/Rac1通路的调节因子，该通路控制中脑DaN分化，因此CADPS2高细胞可能构成退化的DaN。图1. 来自人类大脑的中脑区域的细胞类型组成
研究结果2
为了揭示与特发性帕金森病相关的中脑细胞类型组成变化，作者比较了 2D UMAP 表示中的特发性帕金森病和对照细胞密度分布，并分析了每个样本的特发性帕金森病和对照细胞类型比例的分布。言之，这些结果表明，与对照组相比，特发性帕金森病中脑中小胶质细胞和星形胶质细胞的比例增加，少突胶质细胞的比例减少（图2A –B）免疫荧光分析也通过标记蛋白IBA1验证了这一结果（图2D）。年龄和性别匹配的特发性帕金森病和对照病例SN中小胶质细胞形状的进一步图像分析显示特发性帕金森病相关的小胶质细胞分支减少（图2F），表明细胞活化（图2G）
图2. 特发性帕金森病（IPD）中脑区域的特点是小胶质细胞增多
研究结果3
为了揭示与特发性帕金森病中小胶质细胞和星形胶质细胞比例增加相关的转录程序和途径，作者对这些细胞类型进行亚聚类以鉴定神经胶质亚群并重建其激活轨迹。具体来说研究人员首先对星形胶质细胞进行了分类，然后使用基于单细胞RNA测序数据的计算方法，重建了星形胶质细胞的分化轨迹。在这个过程中，研究人员使用了多种算法和工具，包括Monocle、Seurat和PAGA等，这些工具可以帮助研究人员对单细胞RNA测序数据进行分析和可视化，以便更好地理解细胞的分化轨迹和状态。通过这些方法，研究人员成功地恢复了星形胶质细胞的活化轨迹，并发现了与帕金森病相关的基因表达模式。
首先，作者确定了七个小胶质细胞亚群，其特征在于表达几个标记基因（图3A）三个最大的亚群由P2RY12，GPNMB和HSP90AA1的高表达（图3B）GPNMB和HSP90AA1都是小胶质细胞活化标志物，作者沿着该轨迹去展开小胶质细胞活化轨迹，最后的结果得出 GPNMB，HSP90和 IL-1β参与炎症反应，以前与神经变性有关支持，特发性帕金森病特异性上调GPNMB和HSP90AA1是小胶质细胞激活标志物的观点（图3D-E）作者确定了在激活轨迹上特发性帕金森病小胶质细胞中表达差异上调的基因，大概有29个，其中几种以前与特发性帕金森病有关（图3F）
图 3. 轨迹重建揭示特发性帕金森病 (IPD) 中小胶质细胞的差异
接下来是星形胶质细胞和少突胶质细胞亚群，重建了它们的激活轨迹，并鉴定了与特发性帕金森病差异激活。作者鉴定了五个星形胶质细胞亚群，其特征在于VAV3，LRRC4C，ELMO1，ADGRV1和CD44的高表达（图4A-B），同样作者重复了这几个亚群的细胞活化轨迹。最后结果发现， 特发性帕金森病星形胶质细胞在星形胶质细胞病轨迹结束时高度富集，那就表明星形胶质细胞可能扮演着重要的角色，并且在疾病的晚期阶段发生了明显的变化（图4D-E）同时，作者还算了特发性帕金森病差异上调基因，这些基因在星形胶质细胞病轨迹结束时也高度表达（图4F）。
对于少突胶质细胞的多样性的分化轨迹得出，7个少突胶质细胞亚群，与特发性帕金森病差异表达基因有216下调和330个上调基因。下调基因与神经元维持途径相关，而上调基因与对未折叠蛋白质途径的反应有关，这些亚群之间存在着明显的细胞分化轨迹，这表明少突胶质细胞在发育和成熟过程中经历了多个分化状态（图4K）。
图4. 轨迹重建揭示了星形胶质细胞的差异激活、髓鞘少突胶质细胞的丧失以及特发性帕金森病 (IPD) 中的差异激活。
研究结果4
为了获得帕金森病相关遗传变异如何影响中脑生理学的细胞机制见解，我们评估了帕金森病相关遗传变异的中脑细胞型标记基因的富集。作者发现LRRK2与小胶质细胞和OPCs的相关性最高，SNCA是DaN中最突出的帕金森病相关基因（图5B），之前研究表明LRRK2突变在帕金森病小胶质细胞激活中的作用。
接下来作者还研究了哪些途径与DaN和小胶质细胞差异表达基因中的帕金森病变异富集有关（图5C）在GO，KEGG和Reactome的基因数据库里，有与DaN中的“磷酸化”和“激酶活性”以及小胶质细胞中的“NLRP3炎症小体复合物”等术语（图5D）。特别是NLRP3炎症小体复合物进一步支持炎症信号在帕金森病中的作用。
图5.特发性帕金森病 (IPD) 中富含小胶质细胞和神经元特异性基因的相关遗传变异
总结
总之，作者团队研究强化了神经炎症与特发性帕金森病的相关性。本文首次将 snRNA-seq 应用于患者和匹配对照受试者的死后中脑组织，发现小胶质细胞和星形胶质细胞的疾病特异性上调以及少突胶质细胞的损失。此外，作者还发现了一个几乎只在特发性帕金森病中脑组织中发现的小神经元细胞群，可能代表退化的 DaN。神经胶质细胞群的疾病轨迹分析发现，对错误折叠蛋白的应激是特发性帕金森病炎症信号传导的主要触发因素，从小胶质细胞经星形胶质细胞延伸到少突胶质细胞。作者通过对人类单细胞数据集为研究不同中脑细胞类型在特发性帕金森病中的作用的新研究方法以及旨在开发免疫调节帕金森病疗法的提供了基础。
思考
在文章的思路方面这里做一点点延展。对于一项研究的呈现，首先要指明研究对象尚不清楚的方面及其研究的重要性。比如说，某种疾病的发病率高，但病因目前尚未探明其机制或无针对的治疗措施，因此，深入探讨该病的病因、发病机制、或防治途径具有重要意义。然后综合分析该问题在国内外的研究现状，以及在他人的研究成果的基础上，提出本课题研究的切入点，即本课题的、目前尚未解决的、关键的“科学问题”。
就像这篇文章讨论到的，特发性帕金森病的特征是多巴胺能神经元进行性丧失，但确切的疾病病因在很大程度上仍然未知。迄今为止，帕金森病的研究主要集中在黑质多巴胺能神经元上，尽管最近的研究表明，非神经元细胞和黑质以外的中脑区域也发生了与疾病相关的变化。虽然有一些证据表明神经胶质参与帕金森病，但分子机制仍然知之甚少。文章的研究目的是通过单核RNA测序表征中脑所有细胞类型对帕金森病病理学的贡献，并使用最新的全基因组关联研究评估帕金森病的细胞类型特异性风险。即针对这一关键的科学问题，进而提出解决新思路，或新的方法和技术，以此来完成课题的“研究假说”。
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