单细胞测序揭示精神疾病的遗传与表观遗传复杂性

　　

精神疾病，如精神分裂症、双相情感障碍和重度抑郁症，一直以来都是困扰人类健康的难题。它们不仅严重影响患者的生活质量，还给家庭和社会带来沉重的经济负担，甚至可能导致患者自杀，后果十分严重。而且，这些疾病之间存在着复杂的联系，它们不仅症状相互重叠，在遗传方面也有重叠。

然而，由于这些疾病是多基因疾病，涉及到多个基因的共同作用，并且脑细胞之间的相互作用极为复杂，这使得它们的分子机制如同迷雾一般，难以被清晰揭示。

为了拨开这层迷雾，德国马克斯-普朗克精神疾病研究所等机构的研究人员深入分析了精神疾病的遗传和表观遗传特征。他们的研究成果于3月7日发表在《Science Advances》杂志上，对于了解精神疾病的发病机制具有重要意义。

在这项研究中，研究人员主要运用了单细胞测序技术，包括单细胞核 RNA 测序（snRNA-seq）和单细胞核染色质转座酶可及性测序（snATAC-seq） 。他们对 92 例尸检人类大脑样本的眶额叶皮层（OFC）进行分析，这些样本涵盖了 35 名健康对照和 57 名患有不同精神疾病的患者，包括精神分裂症、分裂情感性障碍、重度抑郁症和双相情感障碍患者。通过这些样本，研究人员全面地获取了基因表达和染色质可及性的数据，并结合基因型信息、人口统计学和临床变量进行综合分析。

单细胞多组学分析鉴定人 OFC 中的不同细胞类型

研究人员对 OFC 样本进行 snRNA-seq 和 snATAC-seq 分析，获得了高质量的转录组数据和染色质可及性数据。通过这些数据，他们成功鉴定出 19 种不同的细胞类型，覆盖兴奋性和抑制性神经元、内皮细胞以及胶质细胞等各种主要的皮层细胞类型。这些结果符合预期的细胞类型多样性，证明了研究方法的可靠性。

精神疾病中细胞类型特异性的改变

研究人员对病例和对照进行差异表达分析后发现，不同细胞类型中显著差异表达（DE）基因的数量差异很大，其中兴奋性神经元的多个亚型中 DE 基因数量较多，且具有明显的表达变化。例如，SLIT2 在兴奋性神经元的部分亚群中显著上调，而 KCNQ3 在小胶质细胞中特异性下调。在染色质可及性方面，研究人员仅在少数兴奋性神经元和星形胶质细胞的亚群中发现了显著的可及性改变（DA），且 DA 基因与 DE 基因的重叠较少，这显示出基因表达和染色质可及性之间复杂的调控关系。

转录组和表观基因组的差异模式凸显染色质可及性变化

研究人员使用多基因风险评分（PRS）来研究遗传易感性对基因表达和染色质可及性的影响。他们发现，不同的 GWAS 性状在不同的细胞类型中存在显著的 DE 风险基因，且 DE 风险基因的效应量比临床诊断相关的 DE 基因更大。在 DA 分析中，他们发现了大量 DA 风险基因，主要富集在2/3 层的兴奋性神经元 。例如，DA 和 DE 风险基因仅在两个基因上表现出重叠（HCN2 和 INO80E），这表明染色质可及性在精神疾病的遗传基础中可能起着更为重要的作用。

转录组分析揭示小胶质细胞中与疾病相关的通路富集

研究人员通过 KEGG 通路富集分析发现，小胶质细胞中下调的基因在长期抑郁和细胞间相互作用机制等通路中显著富集，而其他细胞类型则有不同的通路富集模式。此外，不同细胞类型中与神经退行性疾病和氧化磷酸化相关的通路也有显著富集，这反映了不同细胞类型在精神疾病中的不同作用机制。

精神分裂症多基因风险影响兴奋性神经元的 INO80E 和 HCN2 调控

INO80E 和 HCN2 是精神分裂症 PRS 极端群体中重要的 DE 和 DA 风险基因，但与疾病状态无关。通过基于相关性的网络分析发现，这两个基因的调控机制复杂，涉及多个转录因子（TF）的作用。例如，INO80E 的启动子区域存在 KLF4 基序富集，但 KLF4 在该细胞类型中并不表达，暗示可能存在其他未知的调控机制。这些分析强调了精神分裂症中遗传易感性、细胞特异性基因表达和染色质可及性之间复杂的相互作用。

综合来看，这项研究通过对大量大脑样本的单细胞分析，揭示了精神疾病在基因表达和染色质可及性方面与遗传风险的紧密联系。研究发现，胶质细胞的分子改变主要与遗传风险基因相关，而神经元则受到诊断相关基因和遗传风险基因的共同影响。此外，研究还确定了小胶质细胞中独特的通路富集模式，为理解精神疾病的发病机制提供了新的视角。

然而，研究也存在一些局限性，如基因表达和染色质可及性之间的相关性不一致，病例队列偏向精神分裂症诊断，研究样本仅包含欧洲血统个体等。未来的研究可以在这些方面进行改进，进一步深入探究精神疾病的分子机制，为开发更有效的诊断和治疗策略提供有力的支持。