5月5日，哈佛大學布羅德研究所和麻省劍橋麻省理工學院的Evan Macosko教授領導的研究團隊在《自然神經科學》上發(fā)表了一項研究報告，文章表明，研究人員使用轉錄組分析確定了人類黑質致密部中10種轉錄不同的多巴胺能（DA）神經元群；其中一種以SOX6和AGTR的表達為標志，在PD和路易體癡呆(DLB)患者中選擇性地退行性變；這些細胞位于黑質的腹側部分，比其他任何多巴胺能神經元亞型表達更多PD風險基因，這表明這些突觸核蛋白病中的神經變性是一個細胞內在過程，而不是由其他細胞造成的。
在帕金森病的研究進程中，DA神經元選擇性脆弱的分子機制研究一直進展緩慢。研究人員通過單細胞 RNA 測序技術確定了區(qū)分堅韌和脆弱神經元的基因表達譜。然而，由于黑質致密部的體積很小，內部和周圍存在大量細胞，梳理 DA 神經元以及它們的不同亞群就成為一項十分棘手的工作。此外，之前的單細胞轉錄研究很難檢測到不同的細胞亞群，因此也無法在樣本之間進行可靠的比較。
為了從死后的大腦樣本中獲取更多的細胞核，Tushar Kamath和Abdulraouf Abdulraouf教授及其同事首先確定獨特的核標記物 （Nr4a2），這是一種只有 DA 神經元表達的轉錄因子。然后他們從8名沒有神經退行性疾病的死者黑質樣本中分離出細胞核。通過Nr4a2分選，研究人員獲得了5684個DA神經元核并用于RNA測序分析，該數(shù)量是之前研究樣本數(shù)量的180倍。
研究人員從死后的大腦中提取出黑質致密部，分離出細胞核，并使用 NR4A2 蛋白分選出來自DA神經元的細胞核，以進行轉錄組分析。[Courtesy of Kamath et al., Nature Neuroscience, 2022.]
通過比較多個樣本轉錄本，Kamath教授從DA神經元群中提取了10個不同的轉錄組亞群。這些亞群在DA神經元標志物SOX6和CALB1的表達上存在明顯差異，其中四個亞群優(yōu)先表達 SOX6，而另外六個傾向于表達CALB1。
研究人員在獼猴黑質中發(fā)現(xiàn)了10個相似的DA神經元轉錄組亞群。有趣的是，在小鼠和大鼠中，他們檢測了所有亞群，只有一個亞群以CALB1和GEM的表達為標志，這表明標志物SOX6和CALB1的表達只發(fā)生在靈長類動物中。研究人員正在進一步分析這個亞群，他們預測它可能位于黑質環(huán)路的后面，靈長類動物中已經存在這種環(huán)路，但嚙齒動物目前并沒有檢查到。Macosko教的團隊正在研究這個回路的作用是什么，以及它是否與神經退行性疾病有關。
這些不同類型的DA神經元在黑質中的確切位置到底在哪？為了解決這個問題，研究人員將Slide-Seq技術應用于獼猴黑質，在獼猴SNpc中定位這10個DA神經元亞群。值得注意的是，其中一個以 SOX6 和 AGTR1 表達為標志的亞群完全位于黑質的腹側部分，這是一個已知在 PD 中變性的區(qū)域。
來自獼猴黑質致密部（左）的區(qū)域（圓圈）的 RNA 被轉移到DNA條碼的珠子陣列中進行空間轉錄。 SNpc 的腹側和背側都包含 DA 神經元（頂部，黑色），但其亞型在 SNpc（中間和底部面板）上的分布不同。淺藍色的最容易在 PD中死亡。[Courtesy of Kamath et al., Nature Neuroscience, 2022.]
為了確定這些亞群中的哪些神經元最容易在神經退行性疾病中死亡，研究人員對10名死于PD或DLB患者的黑質樣本進行了snRNA-Seq檢測。結果顯示，與健康供體相比，PD或DLB患者DA神經元稀少。AGTR1亞群消耗的最多，這表明這種類型的DA神經元特別容易受到神經變性的影響。相比之下，另外兩個表達CALB1的DA神經元亞群在 PD/DLB 患者中保留較多。
其次，表達GPNMB的小膠質細胞亞群被擴大，星形膠質細胞亞群也是如此。這些發(fā)現(xiàn)反映了 PD 和 DLB 中重疊的神經退行性機制，它們都是突觸核蛋白病，但也有差異。斯德哥爾摩卡羅林斯卡研究所的Ernest Arenas教授在論文隨附的評論中指出，DLB 患者除了DA神經元損失及其伴隨的運動障礙癥狀外，還存在認知下降、Aβ斑塊和tau纏結。在這種情況下，該分析僅提供了這兩種疾病常見變化的信息，疾病特異性變化并沒有反映出來，未來則需要對更多的PD或DLB患者樣本分析，以進行深入研究。
為了了解DA神經元的AGTR1亞群為何如此容易受到PD或DLB影響，研究人員檢測了黑質所有細胞類型的轉錄組，以尋找與 PD風險相關的基因的表達。其中包括26個已被確定為罕見的家族性PD變異的基因，以及無數(shù)個與PD風險相關的常見變異基因。
作為一個整體，DA神經元表達的這些PD風險基因比其他細胞類型都多。在DA神經元中，PD遺傳風險基因最 大且具有統(tǒng)計學意義的是AGTR1亞型。
不同細胞類型的轉錄亞群表達了與PD相關的不同水平的基因。 在10個DA神經元亞群中，只有AGTR1+亞群的PD風險顯著增加（上圖）。 不同的PD風險基因在SOX6+AGTR1+細胞（紅色）、SOX6+ 細胞（橙色）以及更廣泛的DA神經元（黃色）中增加。 [Courtesy of Kamath et al., 2022.]
在AGTR1+DA神經元亞群中，哪些細胞通路可能在PD中決定它們的命運？這一點目前尚不清楚，但研究人員發(fā)現(xiàn)，在這種易受影響的亞型中，與細胞應激和線粒體功能障礙有關的基因表達有所增加；AGTR1本身編碼血管緊張素受體1，并發(fā)揮作用；在日本人群中，該基因的變異與PD風險有關，已知的腎素-血管緊張素系統(tǒng)的抑制劑可增強 PD 患者的運動功能。
與DA神經元相比，神經膠質細胞沒有表達過多的PD風險基因。這些細胞傾向于表達與AD相關的風險基因。這些發(fā)現(xiàn)表明PD患者中神經退行性變主要是細胞的內在過程，而在 AD患者中，神經元死亡更多地與包括小膠質細胞在內的其他細胞類型之間的相互作用相關。
波士頓哈佛醫(yī)學院的 Ole Isacson 持不同觀點。他認為，大多數(shù)PD是散發(fā)性的，這意味著它是由脆弱的DA神經元與外部壓力源相互作用引起的。他解釋說細胞中線粒體和細胞應激通路在這個脆弱的亞群中被激活，細胞處于高壓之下。平均而言，SNpc DA神經元的氧化應激水平是附近區(qū)域神經元的四倍，這種壓力的影響會累積，使細胞更容易受到外部損傷，例如環(huán)境毒素和神經炎癥。Isacson教授稱，SNpc中對脂質應激持續(xù)炎癥反應的標志是表達 GPNMB 的小膠質細胞的比例增加。他的數(shù)據(jù)與表明TNF-α抑制劑可降低 PD 風險的研究結果相結合，表明脆弱的DA神經元的內在壓力和不斷增加的神經炎癥損傷的共同作用可能會隨著年齡的增長而達到神經退行性“沸點”。
馬里蘭州貝塞斯達國立衛(wèi)生研究院的Mark Cookson教授同意PD風險基因分析需要更進一步的研究，并指出分析中考慮的幾個基因與 PD有不確定的關系。
波士頓布萊根婦女醫(yī)院的Clemens Scherzer教授稱，選擇脆弱性是神經退行性疾病的主要謎團之一，這項研究識別出部分中腦中選擇性脆弱的DA神經元亞型，并為可能的亞型提供研究思路。
然而，Scherzer 指出，雖然該研究解決了 SNpc 內多巴胺能神經元之間的差異問題，但它并沒有解釋為什么SNpc DA神經元比鄰近腹側被蓋區(qū)域的神經元更容易受到PD的影響。 中腦中最 具抵抗力的DA神經元，即 VTA 多巴胺神經元，似乎并沒有被包括在內。
Macosko表示，該實驗室目前正在研究位于大腦不同區(qū)域以及周圍神經系統(tǒng)中的DA神經元的轉錄組。 他希望研究人員能夠探索當前的治療目標數(shù)據(jù)集，設計更準確的疾病模型，以及區(qū)分細胞替代療法中最需要的多巴胺能神經元類型。
寧波易賽騰生物科技有限公司 李福云編譯
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Single-Cell Sleuthing Nabs Neurons Prone to Perish in Parkinson’s | ALZFORUM
