单细胞基因组学揭示自闭症谱系障碍的分子级联和细胞类型特异性特征

通过鉴定和验证富含罕见和常见遗传风险变异的转录驱动因子，作者发现了自闭症遗传易感性与分子和细胞回路和途径之间的联系，为理解自闭症谱系障碍的细胞相互作用和治疗发展提供了线索。

　　

历史上，精神疾病主要由行为和认知特征来定义，由于过去技术限制没有在神经系统中观察到相关的组织学病理，因而与神经系统疾病区分开来。但是，在过去的十年中，基于越来越多的基因组图谱证据显示，与神经正常个体的脑组织相比，特定神经精神疾病的脑组织存在一致的分子差异——例如在自闭症谱系障碍(ASD)中，大脑皮层中存在一种可重复的分子差异模式，包括显著的转录组学和表观遗传学改变。强有力的分子特征确定了自闭症谱系障碍大脑中具有相似的生物学途径，其特征是免疫信号基因上调，特定神经元标记物和突触基因下调，以及与皮质区域身份相关的典型基因表达模式的衰减。

作为PsychENCODE联盟(https://www.psychencode.org/)的核心组成部分，作者在一个大型自闭症谱系障碍和对照(CTL)队列中进行了转座酶可及染色质测序(snRNA-seq)和单核测序(snATAC-seq)，以确定细胞类型特异性变化和受遗传风险因素干扰的细胞调节网络。研究方法(平均每个个体>10,000个细胞，每个细胞>1860个基因)能够识别所有26种主要的皮质细胞类型，并通过已发表的皮质细胞图谱进行验证。文章还鉴定了主要在自闭症谱系障碍(ASD)中观察到的细胞状态，主要是小胶质细胞(MG)、少突胶质细胞(ODCs)、星形胶质细胞(ASTROs)和血脑屏障细胞的活化形式。自闭症谱系障碍患者细胞组成的变化是微妙的，包括激活的小胶质细胞和星形胶质细胞状态的增加，这在对照组中很少观察到。

与细胞组成的微小变化相比，在ASD中观察到的基因表达变化是实质性的:35种细胞类型中有2166个基因下调，1319个基因上调，其中大多数是细胞类型特异性的。通过整合snRNA-seq、snATAC-seq和空间转录组学，作者确定了驱动细胞类型特异性转录变化的调控网络及其在皮质层中的位置。这些分析表明，激活的小胶质细胞、星形胶质细胞和生长抑素(SST)中间神经元集中在皮层浅层，与突触基因表达的深度下调和半球间和半球内投射神经元的应激反应和促炎途径的上调相结合。这些变化的很大一部分可以归因于特定的转录驱动因素，驱动因素和它们的靶基因都富含ASD常见和罕见的遗传风险。

在这项研究中，作者对ASD患者的额叶皮层进行了全面的单细胞基因组评估，大大扩展了之前的观察结果，并为ASD生物学提供了重要的见解。这种单细胞分析的深度和广度，涉及大量的个体和细胞，巩固了ASD中受影响的主要皮层细胞类型的图像，包括细胞类型组成的改变，细胞状态的重塑，以及细胞类型特异性转录级联反应的鉴定。snRNA-seq、snATAC-seq和层特异性空间转录组学的整合使作者能够描述和验证驱动细胞类型特异性转录变化的候选调节网络及其在皮质层中的位置。尽管在抑制性和兴奋性神经元中观察到广泛的转录变化，与之前在大块组织中的观察结果一致，但变化的幅度因细胞类型而异。研究发现，大多数神经元基因表达的变化发生在皮层浅层的谷氨酸能神经元中。此外，ASD中神经元基因表达的这些变化伴随着多种胶质细胞类型(包括ODCs、MG、星形胶质细胞和构成血脑屏障的细胞)向更激活的促炎状态的显著转变。这些数据可在PsychENCODE网站和ASD单细胞浏览器ASD单细胞基因表达(scGENE)门户网站(http://solo.bmap.ucla.edu/asdscgene/)上作为资源进行探索。

这些数据支持了之前关于ASD风险基因在发育中的典型神经人类皮层的浅层神经元中富集的预测，表明中间神经元和胶质细胞的相应局部(可能是适应性不良)变化可能被用作潜在的治疗调节剂。值得注意的是，15q重复区域内的基因在其表达变化中表现出相当大的细胞间变异性，进一步证明了理解遗传变异的细胞类型特异性效应的重要性，特别是在基因剂量发生重大变化的背景下。

最近的研究已经证明了ASD大脑皮层范围内的转录变化，包括初级感觉区域，与这项研究展示的负责皮层内和半球间连接的神经元优先参与一致。这些数据为ASD中短期和长期皮层连通性和皮层回路变化的观察提供了机制、分子和细胞解释的起点。现在的主要挑战是了解这些细胞-细胞相互作用是如何在细胞和回路水平上发展和进化的，并确定它们与生理和行为状态的关系。