新绘制的大脑图谱描述了细胞类型和位置如何影响帕金森病

单细胞空间转录组分析小鼠大脑在年龄和疾病中的表达。

　　

在最近发表在Cell Reports上的一项研究中，研究人员使用帕金森病(PD)转基因模型对小鼠大脑在年龄和疾病中的表达进行了单细胞空间转录组分析，重点研究了29种细胞类型的多巴胺能神经元(DA)。

空间结构的大脑包含各种细胞，每个细胞都有不同的用途。PD是一种神经退行性疾病，其特征是DA丢失和α -突触核蛋白积聚，这是由于基因座增殖过度表达所致。

单细胞核糖核酸测序(RNS-seq)提高了对大脑等器官中基于细胞的表达的认识，但目前的方法无法达到高通量分辨率。荧光原位杂交(FISH)技术在个体水平上提供更高的灵敏度。

在本研究中，研究人员对DA进行了单细胞空间转录组学和翻译分析，以寻找健康细胞和衰老细胞的标记。

研究人员将Rosa26fsTRAP::DATIREScre (DAT-TRAP)小鼠与SNCA-OVX小鼠杂交，使PD模型中的DA信使RNA (mRNA)能够捕获。

实验采用年龄为18月龄的小鼠，观察人α -突触核蛋白过表达和衰老对多巴胺能神经元基因表达的影响，研究健康衰老和帕金森衰老对多巴胺能神经元基因表达的影响。

研究人员创建了成年小鼠大脑中基因表达的单细胞水平空间转录组图和DA神经元表达的高保真翻译体水平谱。

他们用特殊的转录图谱分析了立体序列序列。他们将转录表达图谱转化为分段的单个细胞，在18个脑切片中鉴定出29种细胞，包括星形胶质细胞和抑制性皮质神经元。

研究小组通过转录组大小和复杂性过滤了分段细胞，并分析了空间上不同的皮层、海马体和丘脑群体。他们还检查了中脑腹侧和纹状体，以富集局限于细胞体和假定的轴突的转录本。

他们使用基因富集和全基因组关联研究(GWAS)的数据来识别潜在的致病基因。

他们评估了每个细胞的位置，并比较了不同细胞中DA神经元基因的表达。

研究人员在表达DAT的细胞中检测了增强的绿色荧光蛋白(eGFP)标记核糖体，并证实了eGFP与酪氨酸羟化酶(TH) (DA神经元标记物)共定位。

他们从立体测序的大脑切片中分离细胞，根据检测到的基因进行过滤，并进行均匀流形逼近和投影(UMAP)分析。

他们还对TRAP收集的翻译mRNA进行了短读和长读RNA测序，并使用立体测序和TRAP数据对散发性PD的前瞻性基因进行排序。

研究人员证实了DAT-TRAP mRNA中DA标记基因的特异性富集和其他邻近细胞类型的标记基因的缺失。

他们证实了小鼠腹侧中脑神经元中特异性钙敏感受体(CASR)蛋白的表达，并研究了CASR在人诱导的多能干细胞来源的DA神经元中的表达。他们还通过立体测序检测了细胞中与年龄相关的基因变异。

结果

研究小组研究了年轻人和老年人的PD，以确定腹侧被盖区(VTA)和黑质(SN)多巴胺能神经元中表达空间变化的基因，以及copine-7 (Cpne7)和Solute carrier family 10 member 4 (Slc10a4)基因等特定标记。

他们还检测到了DA特有的剪接变异。他们展示了使用TRAP和立体测序表达特异性测量的方法来鉴定来自GWAS区域的潜在相关基因，表明CASR调节细胞内DA神经元钙。

结果表明，随着年龄的增长，黑质特异性DA神经元丢失，小胶质细胞活化增加。他们强调了各种细胞中衰老和疾病相关的遗传改变，包括多巴胺能神经元，在许多pd相关途径中。

Stereo-seq检测到不同细胞类型的衰老和疾病、黑质DA神经元的丢失以及小胶质细胞的神经炎性扩张引起的表达改变。

通路富集研究揭示了多种生物过程的改变，包括轴突鞘鞘、突触传递调节、细胞内钙离子稳态和儿茶酚胺分泌控制。

研究小组从18只小鼠的大脑中提取了355307个高质量的转录组，其中包含空间坐标细节，共鉴定了14494个基因。

他们观察到突触体相关蛋白25kDa (Snap25)的表达，以及在丘脑或海马体等将神经元与胶质细胞区分的地方的结构定位。

他们还检查了海马区的CA1区、CA3区、托下和齿状回的神经元细胞或中脑释放γ -氨基丁酸(GABA)的细胞核。

标记的表达使少突胶质细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞和红细胞得以识别。在DAT-TRAP样本中，多巴胺能神经元的经典标记物显著富集，而其他细胞类型的标记物在腹侧中脑中减少。

结论

总的来说，该研究通过检查与衰老和疾病相关的空间基因表达的变化，确定了29种独特的脑细胞类型。立体序列数据表明，超过1000个基因的转录物使用存在差异。

有817个选择性剪接出现，这表明被翻译的基因比基因水平计数数据显示的要多。该研究还发现，SN DA神经元细胞数量的下降与年龄有关，这支持了早期的发现。