空間轉(zhuǎn)錄組助力背外側(cè)前額葉皮層與壓力相關(guān)的抑郁行為分子機制研究

最近研究表明，小膠質(zhì)細胞與抑郁癥的發(fā)展有關(guān)，激活小膠質(zhì)細胞的信號通路可能導(dǎo)致抑郁行為。本研究通過結(jié)合單細胞核測序與空間轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，研究與社會壓力相關(guān)的抑郁行為的雌性食蟹獼猴的背外側(cè)前額葉皮層的細胞和分子變化。單細胞數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)與抑郁行為相關(guān)的基因表達變化主要發(fā)生在小膠質(zhì)細胞中，并鑒定了促炎癥性小膠質(zhì)細胞亞群顯著富集。通過空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)鑒定了與抑郁行為相關(guān)的富集基因模塊的空間定位。該研究結(jié)果確定了雌性非人類靈長類動物中與抑郁行為相關(guān)的小膠質(zhì)細胞亞群。

 

文章題目：Integrating spatial and single-nucleus transcriptomic data elucidates microglial-specific responses in female cynomolgus macaques with depressive-like behaviors

中文題目：整合空間和單細胞核轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，闡明具有抑郁樣行為的雌性食蟹獼猴中小膠質(zhì)細胞特異性反應(yīng)機制

發(fā)表時間：2023.06

期刊名稱：nature neuroscience

影響因子：25

實驗平臺：單細胞核轉(zhuǎn)錄組測序、空間轉(zhuǎn)錄組測序

DOI：https://doi.org/10.1038/s41593-023-01379-4

 

 

實驗設(shè)計

 

實驗技術(shù)路線

 

 

 研究結(jié)果 

 

1、低社會等級獼猴易出現(xiàn)抑郁癥狀

首先，研究者篩選了三個種群，使用David評分（DS）確定每個群體的社會等級。接下來，研究者進行行為學(xué)測試，量化了6個抑郁行為指標(biāo)，包括擁擠、獨坐、運動、友好、攝入和社會等級。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，等級高的獼猴很少表現(xiàn)出抑郁特征；而等級低的個體表現(xiàn)出顯著（DL）的或較弱（RES）的抑郁行為。

 

Fig.1 不同等級獼猴群體抑郁行為的鑒定

 

2、抑郁獼猴dlPFC樣本的snRNA-seq分析

研究者從三組樣本（對照組、DL和RES)中，共分離出19份dlPFC樣本，進行細胞核單細胞轉(zhuǎn)錄組測序檢測。數(shù)據(jù)結(jié)果共聚類到35個cluster，通過非人類靈長類動物和人類腦組織中報道的細胞marker進行注釋和細胞比例分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在dlPFC中，最豐富的細胞類型為神經(jīng)元細胞和膠質(zhì)細胞（93.23%）。

 

Fig.2 snRNA-seq分析DL組dlPFC

 

3、DL組不同細胞類型的分子特征分析

研究者比較了DL組和對照組之間不同細胞類型的基因表達差異。在所有主要細胞類型中鑒定了240個差異表達基因（DEG），其中神經(jīng)膠質(zhì)細胞比神經(jīng)元表現(xiàn)出更顯著的變化，并且是細胞類型特異性的。其中，小膠質(zhì)細胞表達大部分的DEG，主要與小膠質(zhì)細胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)激活有關(guān)。通過共表達網(wǎng)絡(luò)分析，鑒定到了3個基因簇（GC1-3），其中每個基因簇細胞的特異性和功能與抑郁不同表型有關(guān)。此外，研究者還使用CellphoneDB預(yù)測了細胞間的互作，發(fā)現(xiàn)DL獼猴比對照組有更多的受體配體對，其中小膠質(zhì)細胞主要參與DL特異性通信。

 

Fig.3 神經(jīng)膠質(zhì)細胞中主要DEG組成共表達基因簇

 

4、小膠質(zhì)細胞優(yōu)先受DL影響 

通過比較，研究者發(fā)現(xiàn)小膠質(zhì)細胞表達了大量的DEG。此外，與其他類型的細胞相比，小膠質(zhì)細胞與MDD密切相關(guān)。因此，研究者對小膠質(zhì)細胞單獨進行了聚類，以探索與DL相關(guān)的小膠質(zhì)細胞亞群。5735個小膠質(zhì)細胞都聚類成8個亞群。通過比較每個亞群與對照組的相對豐度，發(fā)現(xiàn)Mic03（高表達IQGAP2）在DL中富集，并且DL組所有小膠質(zhì)細胞亞群中IQGAP2+小膠質(zhì)細胞比例顯著增加。因此，Mic03可能是DL組一種特異性的小膠質(zhì)細胞亞型。功能富集顯示，Mic03表現(xiàn)出顯著的促炎信號，富集到促炎相關(guān)pathway。因此，研究者將Mic03命名為“具有抑郁樣表型的促炎小膠質(zhì)細胞”（PIMID）。

 

Fig.4 在DL中富集的促炎小膠質(zhì)細胞亞群的鑒定

 

5、空間轉(zhuǎn)錄組測序定義的皮質(zhì)層區(qū)域

dlPFC在指導(dǎo)行為方面至關(guān)重要，接下來對其進行了空間轉(zhuǎn)錄組測序。通過數(shù)據(jù)分析，將具有相似基因標(biāo)記的spot合并為4個區(qū)，并命名為ST region1-4。ST region1對應(yīng)第1層，ST region2對應(yīng)第2-3層，ST region3對應(yīng)第4-6層，ST region4對應(yīng)白質(zhì)層。利用單細胞數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，對每個spot點進行反褶積，評估不同ST區(qū)主要細胞類型組成的變化。結(jié)果顯示，興奮性神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細胞是切片中的主要細胞群，并且細胞類型的比例隨層結(jié)構(gòu)而變化。

 

Fig.5 ST區(qū)在dlPFC中具有層結(jié)構(gòu)

 

6、抑郁行為相關(guān)模塊位于不同的ST區(qū)域

研究者將與抑郁行為相關(guān)的基因模塊映射到ST區(qū)域，研究抑郁行為是否與特定空間區(qū)域有關(guān)。結(jié)果顯示，積極和消極情緒行為相關(guān)模塊的空間分布有所不同。消極情緒相關(guān)的基因模塊主要分布在淺表皮層（ST region1），并在少突膠質(zhì)細胞、興奮性神經(jīng)元和中間神經(jīng)元中表達；PIMID亞型主要分布于STregion 3。PIMID亞型在人類和獼猴dlPFC皮層空間的定位可能有助于對抑郁行為進行針對性的干預(yù)。

 

Fig.6  ST區(qū)與抑郁表型相關(guān)

 

 

主要結(jié)論

 

本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷了長期的社會壓力，具有抑郁的雌性獼猴dlPFC 中，細胞類型特異性基因變化主要發(fā)生在神經(jīng)膠質(zhì)細胞中。小膠質(zhì)細胞中的差異基因表現(xiàn)出與抑郁行為相關(guān)的表達模式。此外，研究者還發(fā)現(xiàn)了dlPFC小膠質(zhì)細胞亞型（PIMID），與四種行為顯著相關(guān)，并參與激活促炎通路。對dlPFC切片的空間轉(zhuǎn)錄組測序分析，發(fā)現(xiàn)了抑郁行為特異性空間功能區(qū)域。該研究通過對snRNA-seq和ST數(shù)據(jù)的整合，系統(tǒng)地解剖了獼猴dlPFC中各種抑郁樣表型的細胞特異性變化以及參與抑郁表型模塊的空間定位，為抑郁癥提供了潛在的治療靶點。

 

 

參考文獻：

Wu J, Li Y, Huang Y, et al. Integrating spatial and single-nucleus transcriptomic data elucidates microglial-specific responses in female cynomolgus macaques with depressive-like behaviors. Nat Neurosci. 2023;26(8):1352-1364. doi:10.1038/s41593-023-01379-4