科研速遞| 神經(jīng)性退行性單細(xì)胞研究-漸凍癥ALS（一）

里鳳山民 2022-03-19

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“漸凍癥”：肌萎縮側(cè)索硬化（ALS），是由于運動神經(jīng)元損傷后，導(dǎo)致人體肌肉的逐漸無力和萎縮，ALS的主要特征是大腦和脊髓中運動神經(jīng)元的運動性喪失。

C9orf72的反復(fù)擴(kuò)增是全世界額顳葉癡呆（FTD）和肌萎縮性側(cè)索硬化癥（ALS）的最常見遺傳原因。C9orf72主要在自噬和內(nèi)體運輸中起到重要作用，C9orf72的反復(fù)擴(kuò)增會影響TDP-43和含有DPR蛋白的p62陽性神經(jīng)元胞漿內(nèi)含物的胞質(zhì)聚集體的產(chǎn)生，進(jìn)而影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS），同時在對ALS患者的研究中發(fā)現(xiàn)：與非c9ALS患者相比，c9ALS患者的額葉非運動區(qū)萎縮程度更大，即C9orf72的反復(fù)擴(kuò)增也有可能導(dǎo)致額葉非運動區(qū)域的萎縮。在Lall, D的研究中，C9orf72重復(fù)擴(kuò)增會嚴(yán)重影響小膠質(zhì)細(xì)胞的炎癥狀態(tài)轉(zhuǎn)化，進(jìn)而導(dǎo)致相關(guān)運動神經(jīng)元的缺陷，C9orf72敲除后，缺乏C9orf72的小膠質(zhì)細(xì)胞，會對神經(jīng)元缺陷有一定的影響，促進(jìn)了斑塊的清除。研究機(jī)理之外，也需要借助新的技術(shù)手段以更好地解析ALS的發(fā)病機(jī)制：Ho, R在對ALS的研究中，使用患者的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞培養(yǎng)神經(jīng)細(xì)胞來模擬疾病表型，以更好地研究ALS發(fā)病的特征。

單細(xì)胞測序技術(shù)可以更有效地分析疾病不同階段的進(jìn)行性變化，也可以分析不同階段不同細(xì)胞亞群的細(xì)胞表達(dá)變化，例如：在對小鼠ALS模型的單細(xì)胞測序研究結(jié)果中就發(fā)現(xiàn)并分析了不同階段各種細(xì)胞類型的作用及變化情況：檢測炎癥(小膠質(zhì)細(xì)胞)、應(yīng)激反應(yīng)(室管膜和一個未被標(biāo)記的細(xì)胞群)、神經(jīng)發(fā)生(星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)元)、突觸組織和傳遞(小膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞和神經(jīng)元亞型)，以及線粒體功能(無特征的細(xì)胞群)在ALS模型中有顯著的變化。

本篇就漸凍癥（ALS）相關(guān)的的單細(xì)胞研究論文進(jìn)行匯總整理，如下所示：

1. C9orf72 缺乏促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的衰老和淀粉樣蛋白積累中的突觸損失

關(guān)鍵詞：10X Genomics，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組

C9orf72重復(fù)擴(kuò)增導(dǎo)致遺傳性肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）/額顳葉癡呆（FTD），并導(dǎo)致 C9orf72 蛋白表達(dá)的喪失和潛在毒性 RNA 和二肽重復(fù)蛋白的產(chǎn)生。除了 ALS/FTD，C9orf72重復(fù)擴(kuò)增在多種神經(jīng)退行性綜合征中（包括阿爾茨海默?。┚袌蟮?。研究人員發(fā)現(xiàn)C9orf72缺乏誘導(dǎo)了小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)環(huán)境的變化，促使其以 I 型 IFN 特征增強(qiáng)為特征的炎癥狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。此外，C9orf72-耗盡的小膠質(zhì)細(xì)胞會引發(fā)年齡依賴的神經(jīng)元缺陷，特別是增強(qiáng)皮質(zhì)突觸修剪，隨之改變小鼠學(xué)習(xí)和記憶行為。缺乏C9orf72的小膠質(zhì)細(xì)胞在淀粉樣蛋白積累的小鼠模型中促進(jìn)了突觸丟失和神經(jīng)元缺陷的增加，同時異常地促進(jìn)了斑塊清除。這些研究結(jié)果表明，由于C9orf72表達(dá)降低導(dǎo)致的小膠質(zhì)細(xì)胞功能改變直接導(dǎo)致重復(fù)擴(kuò)增攜帶者的神經(jīng)變性，而與功能獲得毒性無關(guān)。

2. 家族性和散發(fā)性 ALS 的人類 iPSC 運動神經(jīng)元模型的交叉比較揭示了早期和收斂的轉(zhuǎn)錄組疾病特征

關(guān)鍵詞：10X Genomics，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組

來自肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）患者的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）衍生的神經(jīng)培養(yǎng)物可以模擬疾病表型。然而，由遺傳和實驗變化引起的異質(zhì)性限制了它們的實用性，影響了可重復(fù)性和追蹤發(fā)病機(jī)制的細(xì)胞起源的能力。研究人員通過對多個患者、批次效應(yīng)和不同平臺上反復(fù)鑒別和應(yīng)用健康的、家族性ALS、散發(fā)性 ALS 和基因組編輯的 iPSC細(xì)胞株中的scRNA-seq運動神經(jīng)元（MNs）。同時考慮了遺傳和實驗變異性，以識別統(tǒng)一和可重復(fù)的ALS基因特征。將HOX和發(fā)育基因表達(dá)與全局聚類相結(jié)合，研究人員從解剖學(xué)意義上將細(xì)胞分為rostrocaudal、祖細(xì)胞和核分裂后細(xì)胞。通過放寬統(tǒng)計閾值，研究人員發(fā)現(xiàn)iPSC-MNs中的基因在死后MNs中一致失調(diào)，并在其他人類和小鼠模型中產(chǎn)生ALS預(yù)測性標(biāo)記。因此，我們的方法揭示了 ALS 的早期、收斂性和 MNs 解析特征。

3. 肌萎縮側(cè)索硬化癥分子病理學(xué)的時空動

關(guān)鍵詞：10X Genomics，空間轉(zhuǎn)錄組

肌萎縮側(cè)索硬化癥 (ALS) 中發(fā)生的癱瘓是由于運動神經(jīng)元變性導(dǎo)致骨骼肌去神經(jīng)支配所致。運動神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞之間的相互作用導(dǎo)致運動神經(jīng)元丟失，但在完整的脊髓組織中驅(qū)動這些過程的分子事件的時空排序仍然知之甚少。研究人員使用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)來獲得小鼠脊髓在疾病過程中的基因表達(dá)測量，以及分析ALS 患者死后的組織，以表征 ALS 的潛在分子機(jī)制。通過識別通路動力學(xué)，在早期時間點區(qū)分小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞群之間的區(qū)域差異，并辨別 ALS 小鼠模型和人類死后脊髓之間共享的幾種轉(zhuǎn)錄通路的擾動。

4. 突變 SOD1 小鼠腦干的單細(xì)胞 RNA-seq 分析揭示了肌萎縮側(cè)索硬化的受擾動細(xì)胞類型和通路

關(guān)鍵詞：單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組

肌萎縮側(cè)索硬化癥 (ALS) 是一種神經(jīng)退行性疾病，其中整個大腦和脊髓的運動神經(jīng)元逐漸退化，導(dǎo)致肌肉萎縮、癱瘓和死亡。最近使用 ALS 動物模型的研究表明，脊髓運動系統(tǒng)的 ALS 發(fā)病機(jī)制中存在多種細(xì)胞類型（例如星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞）。為了確定協(xié)調(diào)口腔運動功能的腦干中 ALS 的細(xì)胞脆弱性和細(xì)胞類型特異性機(jī)制，研究人員通過高通量Drop-seq方法進(jìn)行了平行單細(xì)胞RNA測序分析。在出生后100天，分別從野生型和突變型SOD1癥狀小鼠的腦干中分離出1894和3199個細(xì)胞。同時恢復(fù)了已知的主要細(xì)胞類型和神經(jīng)元亞群，如中間神經(jīng)元和運動神經(jīng)元，三叉神經(jīng)節(jié)(trigeminal ganglion, TG)外周感覺神經(jīng)元，以及之前未被描述的中間神經(jīng)元亞群。研究人員發(fā)現(xiàn)，在ALS小鼠中，大多數(shù)細(xì)胞類型顯示出轉(zhuǎn)錄組的改變。個體細(xì)胞群的差異表達(dá)基因揭示了許多途徑的細(xì)胞類型特異性改變，包括已知的ALS途徑，如炎癥(小膠質(zhì)細(xì)胞)、應(yīng)激反應(yīng)(室管膜和一個未被標(biāo)記的細(xì)胞群)、神經(jīng)發(fā)生(星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)元)、突觸組織和傳遞(小膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞和神經(jīng)元亞型)，以及線粒體功能(無特征的細(xì)胞群)。SOD1突變腦干中其他細(xì)胞類型的特定過程的改變包括運動神經(jīng)元(軸突再生，電壓門控鈉和鉀通道下的興奮性，鉀離子運輸)，三叉神經(jīng)感覺神經(jīng)元(檢測溫度刺激參與感覺感知)，細(xì)胞對有毒物質(zhì)的反應(yīng)(不確定的細(xì)胞群)。在不同的細(xì)胞類型(如Malat1)中，差異表達(dá)基因一致改變，以及細(xì)胞類型特異性的差異表達(dá)基因被鑒定出來。重要的是，來自不同細(xì)胞類型的DEGs與文獻(xiàn)中已知的ALS基因和現(xiàn)有的人類ALS全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS)中的熱門基因重疊，暗示了ALS基因與ALS發(fā)病機(jī)制相關(guān)的潛在細(xì)胞類型。

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