空間轉(zhuǎn)錄組在揭示睡眠剝奪后大腦不同區(qū)域獨特基因表達(dá)變化中的應(yīng)用

研究結(jié)果
1. 睡眠剝奪對大腦每個區(qū)域的轉(zhuǎn)錄活動都有不同的影響
對每個腦區(qū)進(jìn)行了差異基因表達(dá)分析。篩選顯著差異表達(dá)基因（DEGs），發(fā)現(xiàn)海馬區(qū)受睡眠不足影響的顯著DEGs最多（592個DEGs），其次是新皮層（401個DEGs）、下丘腦（266個DEGs）和丘腦（113個DEGs）。其中一些DEG，如Rbm3、Hspa5和Srsf5，在之前的海馬體和其他大腦區(qū)域的研究中，已經(jīng)被證明在睡眠剝奪后受到影響。

DEGs的分子功能表現(xiàn)出區(qū)域特異性的差異。在海馬區(qū)，許多與RNA加工相關(guān)的分子功能富集。對于新皮層，與蛋白激酶活性、GTPase活性、泛素連接酶活性和dna結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合相關(guān)的分子功能被富集。下丘腦中的deg具有與神經(jīng)肽和激素活性相關(guān)的分子功能，以及谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶和過氧化物酶活性。丘腦中的DEGs富集了肌生成調(diào)節(jié)因子（MRF）結(jié)合的分子功能。令人驚訝的是，海馬區(qū)~98%的顯著下調(diào)，而新皮層區(qū)~96%的顯著上調(diào)。
 

2. 海馬體亞區(qū)受到睡眠剝奪的不同影響
正如本研究和先前的研究表明，海馬體非常容易受到急性睡眠剝奪的影響。這個大腦區(qū)域由幾個亞結(jié)構(gòu)組成，即CA1、CA2、CA3和齒狀回（DG）。使用Allen Brain Atlas的scRNA-seq全海馬小鼠數(shù)據(jù)集對CA1錐體層和齒狀回（DG）顆粒細(xì)胞層進(jìn)行了去卷積，并能夠基于空間位置區(qū)分CA2和CA3錐體層區(qū)域。對海馬各亞區(qū)域的差異基因表達(dá)分析，CA1錐體層和輻射層受睡眠剝奪的影響最大，所檢測區(qū)域的DEGs和獨特的DEGs最多。輻射層有53個獨特的DEGs，富集到周期蛋白依賴的蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶活性，而CA1錐體有51個獨特的DEGs，富集谷氨酸受體結(jié)合。CA2和CA3錐體層中沒有顯著影響基因。所以，CA1和DG受到睡眠剝奪的影響，而CA3區(qū)域的影響較小。
 

3. 睡眠剝奪會導(dǎo)致大腦皮層中特定層的轉(zhuǎn)錄變化
新大腦皮質(zhì)是受睡眠剝奪的第二大影響，將空間數(shù)據(jù)集與Allen Brain Atlas的14000個成年小鼠皮質(zhì)細(xì)胞分類學(xué)的參考scRNA-seq數(shù)據(jù)集，對空間數(shù)據(jù)集進(jìn)行了反卷積。根據(jù)每個點的預(yù)測評分來識別新皮層的各個層，并在每一層進(jìn)行差異基因表達(dá)分析。第2/3層和第5層在睡眠剝奪后受轉(zhuǎn)錄影響最大，分別有222個和225個顯著的DEGs。各皮層的差異基因分析顯示，在特定層中，獨特地富集不同的差異表達(dá)基因和分子功能，這可能與皮層內(nèi)處理和皮層輸出中的差異功能有關(guān)。
 

4. 通過空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析工具（STAnly）將切片注冊到一個共同的解剖參考空間，可以對整個大腦切片的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行不受限制的分析
為了解決空間分辨率的損失，建立了一種分析工具：空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析--STANLY，該工具將多個樣本的點排列到一個共同的解剖參考空間，即艾倫小鼠大腦圖譜的共同坐標(biāo)框架（CCF）中，從而允許在不受限制的推理空間中逐點比較轉(zhuǎn)錄組。使用這種方法，在所有樣本切片中檢測到至少18893個基因在NSD和SD之間的表達(dá)變化。其中413個基因顯著差異表達(dá)，150個基因在所有顯著點顯示上調(diào)，22個基因在全部顯著點顯示下調(diào)，256個基因在整個樣本空間中同時出現(xiàn)上調(diào)和下調(diào)。這些DEG包括先前描述的，新皮層中，Per1、Nr4a1、Homer1和Arc上調(diào)，Rbm3和Cirbp下調(diào)。顯示出海馬體特異性變化，與去卷積方法中看到的變化類似。
 

參考文獻(xiàn):
Vanrobaeys Yann,Peterson Zeru J,Walsh Emily N et al. Spatial transcriptomics reveals unique gene expression changes in different brain regions after sleep deprivation.[J] .Nat Commun, 2023, 14: 7095.