空間轉錄組學在人類疾病臨床研究中的應用案例（上）

空間轉錄組學（ST）和單細胞RNA測序（scRNA-seq）的結合是連接人類組織病理表型和分子改變的關鍵組成部分，定義了原位細胞間分子通訊和時空分子醫(yī)學知識。ST在人類疾病中的潛在應用是臨床和轉化醫(yī)學的重要問題之一，包括神經學、胚胎發(fā)育、腫瘤學和炎癥學。因此，明確的臨床目標、設計、采樣程序和方案的優(yōu)化、ST的可重復性以及分析和解釋的簡化是將ST轉換到臨床的關鍵。

本期推送為大家?guī)��?篇空間轉錄組學在神經學中的應用案例。

神經系統(tǒng)的空間轉錄組學為理解單個神經元的類型、位置、樹突結構、軸突投射和相應功能提供了新的見解。

案例一

使用Fiji “Analyze particles”插件和ST pipeline（一種用于獨特轉錄本空間映射的自動化管道）進行數(shù)據處理，使用分層隨機抽樣ST測量小鼠脊髓和ALS患者的死后組織的基因表達，區(qū)分早期小膠質細胞和星形膠質細胞之間的區(qū)域差異，并確定ALS模型和患者脊髓病理學之間轉錄途徑的干擾。在ALS誘導后，在小鼠體內動態(tài)發(fā)現(xiàn)約11138個基因的空間分布，并從ALS患者的脊髓樣本中進一步發(fā)現(xiàn)9624個基因。這項特別的研究定義了基因表達在組織中的明確定位和多維分布，并描述了退行性疾病的新機制，例如TREM2-TYROBP復合物、Apoe、Lpl、B2m和Cx3cr1在不同階段和位置的表達。

在神經退行性疾病模型中，Trem2和Tyrobp形成受體復合物，當與膜脂或脂蛋白復合物結合時，可觸發(fā)吞噬或調節(jié)細胞因子信號。在癥狀出現(xiàn)之前，腹角和白質中的酪氨酸結合蛋白表達上調，而在Trem2表達之前，酪氨酸結合蛋白表達上調。Lp1和B2m在癥狀出現(xiàn)前上調，尤其是在腹角。Apoe和Cx3cr1在癥狀小鼠的脊髓中上調。載脂蛋白E的表達受Trem2信號和Trem2配體的驅動。

案例二

使用ST pipeline進行數(shù)據處理，從死后腦組織的ST圖譜中發(fā)現(xiàn)了6條疾病相關途徑中的16個失調轉錄本。其中，代謝型谷氨酸受體3和泛素特異性蛋白酶47進一步與互補分子病理學確定為空間疾病特異性靶點。代謝型谷氨酸受體3對谷氨酸神經傳遞和突觸可塑性的失調，泛素特異性蛋白酶47對細胞生長和基因組完整性的失調，可以作為臨床治療的新選擇。

在肌萎縮側索硬化（ALS）模型中，C9orf72重復擴增、突變SOD1和sALS中前額葉和運動皮質GRM3基因的表達較低。GRM3基因編碼代謝型谷氨酸受體mGlu3，調節(jié)中樞神經系統(tǒng)中谷氨酸的神經傳遞。神經元mGlu3受體的表達主要在突觸前終末。當突觸外谷氨酸過度溢出時，G蛋白信號級聯(lián)被激活，以調節(jié)突觸前離子通道的活動，然后負調節(jié)突觸前谷氨酸的釋放。前額葉皮質mGlu3受體表達的減少增加谷氨酸的傳遞并產生興奮性毒性的調節(jié)可能是精神分裂癥和ALS的共同機制特征。

參考文獻：

[1] Maniatis S, Äijö T, Vickovic S, et al. Spatiotemporal dynamics of molecular pathology in amyotrophic lateral sclerosis. Science. 2019;364(6435):89-93. doi:10.1126/science.aav9776

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