NeuroTri2-VISDOT：一个开放获取的工具，旨在利用孕中期人类单细胞数据的力量来辅助孟德尔神经发育障碍模型的构建

《Rare》：NeuroTri2-VISDOT: An open-access tool to harness the power of second trimester human single cell data to inform models of Mendelian neurodevelopmental disorders

神经发育障碍的基因-细胞类型关联分析及在线可视化工具开发。本研究基于Bhaduri等2021年发表的胎儿大脑单细胞RNA测序数据，构建NeuroTri2-VISDOT网页工具，整合九类神经细胞时空表达谱，支持基因与细胞类型交互查询。工具成功应用于染色体异常相关RSTS综合征、RAS通路相关Noonan综合征样疾病及组蛋白基因突变所致NDDs的机制解析，揭示Cajal-Retzius细胞和前脑放射状胶质细胞在GW18-GW20表达特征差异，为模型选择提供依据。

　　本文介绍了一种名为NeuroTri2-VISDOT的在线工具，旨在通过可视化第二孕期人类胎儿大脑组织的单细胞RNA测序数据，帮助研究者在神经发育障碍（NDDs）的模型选择和机制研究中更有效地利用这些数据。这种工具为从事转化医学研究的临床医生和科学家提供了一个用户友好的平台，使他们能够在没有复杂的计算背景或高性能计算资源的情况下，探索基因在不同细胞类型中的表达模式。文章重点探讨了该工具在多个NDD子类中的应用，包括染色质疾病、RAS相关疾病以及由组蛋白基因突变引起的新兴NDDs。

### 一、背景与意义

神经发育障碍是一类由单个基因突变引起的疾病，影响大脑的发育和功能。目前，超过5000种已知的孟德尔遗传疾病中，约有40%与大脑或神经系统有关，而超过1500个基因已被确认与这些疾病相关。每年，大约有300个新基因被发现与孟德尔NDDs相关，这为患者家庭提供了更精确的诊断信息。然而，许多NDDs属于超罕见疾病，影响的人群比例极低，通常少于每50,000人中1人。这种低发生率使得传统的模型系统构建和验证变得困难，尤其是在没有足够的临床样本或计算资源的情况下。

为了应对这些挑战，研究者们利用大规模的公开数据集，如Genome Aggregation Dataset（gnomAD）、Genotype-Tissue Expression（GTEx）门户和Genomics England，以及生物样本库如UK Biobank和All of US研究计划，来识别潜在的致病基因。这些数据集虽然提供了丰富的基因表达信息，但其分析和解读对于没有计算背景的研究者来说仍然存在障碍。因此，开发一种易于使用的工具来帮助研究者更好地理解和利用这些数据变得尤为重要。

NeuroTri2-VISDOT的出现正是为了填补这一空白。它基于Bhaduri等人在2021年发表的第二孕期人类胎儿大脑单细胞RNA测序数据，将复杂的基因表达信息转化为直观的可视化界面。这种数据对于研究NDDs具有极高的价值，因为它们能够揭示特定基因在不同细胞类型中的表达模式，从而帮助研究者确定哪些细胞类型最适合作为研究模型。然而，获取这些数据需要较高的计算能力，而且单细胞数据的分析过程复杂，学习曲线陡峭。NeuroTri2-VISDOT通过将这些数据压缩到一个网络应用中，降低了使用门槛，使更多研究者能够利用这一宝贵资源。

### 二、工具的功能与设计

NeuroTri2-VISDOT是一个基于R语言开发的网络可视化工具，它利用了shiny包，使得用户可以通过图形界面直接访问和分析数据，而无需编写代码或运行复杂的计算流程。该工具主要关注第二孕期大脑发育过程中九种主要细胞类型的基因表达模式，包括神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞、神经前体细胞、放射状胶质细胞、内皮细胞、Cajal-Retzius细胞、小胶质细胞和髓鞘形成细胞。用户可以通过输入基因符号来查询这些细胞类型中基因的表达情况，系统会生成平均表达值和百分比表达值的图表，帮助研究者快速识别基因在不同细胞类型中的表达趋势。

此外，NeuroTri2-VISDOT还允许用户自定义图表的显示方式，包括调整表达值的缩放比例和选择感兴趣的细胞类型。这种灵活性使得研究者可以根据自己的研究需求，更精确地分析特定基因在不同发育阶段的表现。例如，在分析与Rubinstein-Taybi综合征（RSTS）相关的基因时，用户可以排除表达水平较高的Cajal-Retzius细胞，从而更清晰地观察其他细胞类型中基因的表达情况。这种功能对于研究者来说非常实用，因为它可以帮助他们避免某些细胞类型对整体表达模式的干扰，从而更准确地识别与疾病相关的基因表达特征。

### 三、工具的应用案例

为了验证NeuroTri2-VISDOT的有效性，研究者们将其应用于多个NDD子类的分析中。首先，他们分析了与RSTS相关的基因，如CREBBP和EP300。这些基因的突变会导致严重的神经发育异常，如智力障碍、自闭症和癫痫。通过NeuroTri2-VISDOT，研究者发现这些基因在第二孕期的表达模式与临床表型之间存在显著的相关性。例如，CREBBP在Cajal-Retzius细胞中的表达百分比显著高于EP300，这可能解释了为何携带CREBBP突变的患者通常表现出更严重的临床症状。这一发现表明，通过分析基因在特定细胞类型中的表达情况，可以更准确地预测其在疾病中的作用，并为模型选择提供依据。

其次，研究者们还利用NeuroTri2-VISDOT分析了RAS相关疾病，包括Noonan综合征（NS）及其类似疾病。RAS相关疾病是一类由RAS-MAPK信号通路相关基因突变引起的疾病，其临床表现具有高度的异质性。通过该工具，研究者们能够观察到NS相关基因在不同细胞类型中的表达模式，并发现某些基因在特定发育阶段的表达水平较高，这可能与疾病的发病机制有关。例如，NS相关基因在第二孕期的表达高峰期出现在GW18，这一阶段正是大脑发育的关键时期。通过分析这些基因的表达趋势，研究者可以更好地理解它们在神经发育中的作用，并为模型系统的构建提供指导。

此外，NeuroTri2-VISDOT还被应用于由组蛋白基因突变引起的新兴NDDs的分析中。组蛋白基因突变导致的疾病近年来引起了越来越多的关注，因为它们可能影响DNA的结构和功能，进而影响基因表达和细胞分化。通过该工具，研究者们发现某些组蛋白基因在第二孕期的表达模式与已知的NDD相关基因相似，这表明它们可能在神经发育过程中发挥重要作用。例如，HIST1H1E基因在第二孕期的表达高峰期出现在GW16，这一阶段正是放射状胶质细胞（RG）形成物理上不连续支架的关键时期。这一发现为研究组蛋白基因突变在神经发育中的作用提供了新的视角，并为未来的研究方向指明了道路。

### 四、工具的局限性与未来发展方向

尽管NeuroTri2-VISDOT在多个NDD子类的分析中表现出色，但它仍然存在一些局限性。首先，该工具的数据来源于单细胞转录组测序，这些数据仅覆盖了大脑的特定区域，如前脑、中脑和后脑的10个主要结构，以及新皮层的6个区域。这意味着一些重要的神经发育细胞类型可能未被充分表征，从而限制了该工具的适用范围。其次，该工具并未包含早期和晚期的脑发育数据，因此无法全面反映整个神经发育过程中的基因表达变化。未来的研究可以考虑扩展该工具的数据范围，使其能够覆盖更广泛的发育阶段和细胞类型。

另一个值得关注的局限性是数据的不确定性。单细胞RNA测序过程中，由于RNA降解和低表达基因的随机采样，许多表达值可能为零，这会影响数据的准确性。此外，细胞类型的鉴定依赖于无监督聚类和手动注释，这一过程可能引入误差，导致某些细胞类型被错误分类或遗漏。因此，在使用NeuroTri2-VISDOT进行分析时，研究者需要谨慎对待这些数据的局限性，并结合其他实验方法进行验证。

为了进一步提高该工具的实用性，研究者们还提出了未来的发展方向。例如，可以将NeuroTri2-VISDOT与蛋白质组学数据结合，以更全面地理解基因表达与蛋白质功能之间的关系。此外，该工具还可以扩展到其他组织和发育阶段，以帮助研究者分析不同类型的疾病。通过整合多种数据类型，NeuroTri2-VISDOT有望成为转化医学研究中的重要工具，为疾病机制的探索和治疗策略的制定提供更有力的支持。

### 五、总结与展望

NeuroTri2-VISDOT的开发为转化医学研究提供了重要的工具支持。通过将复杂的单细胞数据转化为直观的可视化界面，该工具降低了使用门槛，使更多研究者能够利用这些数据进行疾病机制的研究。在多个NDD子类的分析中，该工具展示了其在基因表达模式识别和模型选择中的价值，为临床医生和科学家提供了新的研究视角。

未来，随着单细胞测序技术的不断发展，更多的数据将被生成，这将为NeuroTri2-VISDOT的进一步优化提供机会。研究者们可以利用这些数据，开发更多类似的可视化工具，以满足不同研究需求。此外，随着对基因表达与蛋白质功能之间关系的深入理解，NeuroTri2-VISDOT还可以与其他生物信息学工具结合，提供更全面的分析框架。这些努力将有助于推动神经发育障碍的研究，为患者提供更精准的诊断和更有效的治疗策略。