文献分享–人颞叶皮层及白质的单核空间转录组分析揭示与阿尔茨海默病病理的关键关联

作者，Evil Genius

今天我们分享文献

知识积累

阿尔茨海默病（AD）的两大病理特征——β-淀粉样斑块和神经原纤维缠结——其累积与扩散程度与症状严重程度密切相关。

结果1、老年人大脑颞叶皮层灰质与白质的中枢神经系统细胞类型转录状态

细胞marker我们搜集一下

谷氨酸能神经元：SLC17A6, SLC17A7
GABA能神经元：GAD2, SLC32A1
星形胶质细胞：AQP4, FGFR3, ALDH1L1
少突胶质细胞：MOG
少突胶质前体细胞：PDGFRA
小胶质细胞：TMEM119, P2RY12, AIF1, C1QA
内皮细胞：CLDN5
周细胞：RGS5

结果2、在late Braak stages灰质中占比降低的神经元与胶质细胞亚群

Braak分期范式，该范式根据个体体内tau病理的整体扩散情况分配分期（从1到6），早期（Braak 1/2）表示NFT主要在内嗅皮层和海马体中积累，而晚期（Braak 3/4/5/6）则表示个体在早期和晚期受累（皮层）区域均存在tau病理。

灰质中的细胞变化

减少的神经元亚群：

• 谷氨酸能神经元：包括部分RORB+（同时表达IL1RAPL2）、SPARCL1+、COL5A2+、GLIS3+、GNAL+ 和 TLL1+ 亚群。
• GABA能神经元：包括小清蛋白（PVALB）神经元 和 SPARCL1+ 亚群。

减少的胶质细胞亚群：

可能具有保护作用的 RPL19+ 小胶质细胞 显著减少。

富集的细胞亚群（可能具抵抗力）：

• 神经元：来自皮层深层的 THEMIS+/POSTN+ 谷氨酸能神经元 以及独特的 SST+/THSD7B+（TRHDE+）GABA能神经元。
• 胶质细胞：热休克蛋白+ 的少突胶质前体细胞（OPCs）、MGP+ 周细胞 和 TNC+ 星形胶质细胞。

2. 白质中的细胞变化

尽管神经元稀少，但仍观察到显著变化。

• 减少的细胞亚群：与灰质类似，PVALB+ GABA能神经元、RPL19+ 小胶质细胞 和 TAGLN+ 周细胞 减少。
• 富集的细胞亚群：TSHZ2+ 内皮细胞 和 热休克蛋白+ OPCs。
• 特殊案例：RORB+/IL1RAPL2+ 谷氨酸能神经元在中期Braak阶段比例升高，表明白质与灰质的反应模式不同。

3. 跨脑区验证的关键发现

整合多个独立数据集（包括内嗅皮层、前额叶皮层、颞中回等）后，以下发现具有高度一致性和普适性：

• THEMIS+/POSTN+ 深层谷氨酸能神经元：在晚期AD中持续富集，被推断为是一种相对具有抵抗力的神经元亚型。
• PVALB+/TMEM132C+ GABA能神经元：在晚期AD中 across all brain regions 普遍减少。
• 胶质细胞：TAGLN+ 周细胞 和 RPL19+ 小胶质细胞 普遍减少，而 HSPA1A+ OPCs 普遍增多。
  

结果3、在 TC 中晚期 AD 病理阶段的差异表达分析识别出更多特定细胞类型的基因

基因表达变化的阶段与特异性

• 早期AD（Braak 2-4）：基因表达变化非常有限，仅17个基因，主要集中在GABA能神经元、少突胶质细胞和OPCs中。
• 晚期AD（Braak 5-6）：出现大量差异表达基因（1230个），其中约90% 是细胞类型特异性的，表明不同细胞类型对AD病理有独特的分子响应。

2. 关键基因与通路发现

重要AD相关基因的变化：

• NPTX2（潜在的脑脊液生物标志物）：在谷氨酸能神经元中表达下调。
• APOE（著名风险基因）：在内皮细胞中表达下调，且在灰质中的下调幅度比在白质中更显著，提示血管系统存在区域特异性改变。
• FCER1G（AD风险基因）：在晚期AD中，灰质表达下降而白质表达上升，凸显了组织区域特异性。
• PVALB：在抑制性神经元中表达下调，与之前细胞比例减少的发现一致。
• RELN（可抑制tau磷酸化）：在少突胶质细胞中表达显著上调，可能是一个保护性机制。

通路富集分析：

• 抑制性神经元：负调控淀粉样纤维形成的通路下调。
• 小胶质细胞和OPCs：分别在与脂质反应相关的通路上调。
• 星形胶质细胞：内吞和激酶结合通路富集。
• 白质少突胶质细胞：调控β-淀粉样蛋白形成的通路富集。

3. 进化约束分析

在晚期AD的谷氨酸能神经元中上调的基因，以及在该细胞类型中表现出灰白质差异表达的基因，其功能进化约束性更强。这表明这些基因对细胞生存至关重要，其上调可能是神经元在极端病理环境下的一种生存机制。

结果4、利用高分辨率空间转录组学和病理染色表征易感和耐受细胞特征

空间技术验证单核测序结果

通过155个基因 panel 对13个样本进行原位测序，并结合Aβ和tau蛋白染色，成功在完整组织中重现了单核RNA测序中发现的细胞亚群变化趋势：

神经元验证：

• 易损亚群：证实了 SPARCL1+ 和 RORB+/IL1RAPL2+ 谷氨酸能神经元，以及 PVALB+ GABA能神经元在晚期AD中比例下降或标记基因表达降低。
• 抵抗亚群：证实了 THEMIS+/POSTN+ 谷氨酸能神经元（使用替代标记基因PPP1R1A和CC2D1B）在晚期AD中富集。

胶质细胞验证：

• 证实了 RPL19+ 小胶质细胞（标记基因CD74、P2RY12表达下降）在晚期AD中减少。
• 证实了 TNC+ 星形胶质细胞（标记基因GFAP表达上升）在晚期AD中增多。

2. 全局表达与病理分组分析

在不区分细胞类型的整体分析中，晚期AD阶段有29个基因发生显著变化，其中包括星形胶质细胞标记物GFAP的上调。

一个意外发现是，TMEM119（稳态小胶质细胞基因）在晚期病理中上调，这与P2RY12（另一个稳态基因）的下调模式不同，此现象在单核数据中未发现，提示了新的生物学问题。

当将捐赠者按病理严重程度（而非Braak分期）分组时，发现了31个显著变化的基因，包括SST和NEFL的下调，这与单核数据中神经元基因失调的结论相互印证。

3. 空间特异性发现

研究超越了验证，利用空间数据进行了两项探索性分析：

• 邻近性分析：发现了细胞类型特异性基因的表达会因靠近Aβ斑块或tau缠结而出现富集或耗竭。
• 微环境分析：发现了细胞类型特异性基因的表达受到所在区域斑块密度的影响（而不仅仅是与最近斑块的距离）。
  

结果5、空间分析识别在病理性包涵体附近表达发生变化的基因

基于距离的分析：基因表达随与病理包涵体的距离而变化

研究分析了细胞在距离斑块或缠结不同位置时的基因表达差异。

靠近Aβ斑块：

• 谷氨酸能神经元：神经丝基因 NEFL 和 NEFM 表达更高，提示神经元可能处于斑块相关的应激状态。
• GABA能神经元：RELN（可抑制tau磷酸化）在靠近斑块的细胞中表达更低，这与该神经元类型易受AD影响的认知一致。
• 小胶质细胞：CD68（吞噬作用相关）在距斑块中等距离的细胞中表达最高，可能反映了其激活状态。
• 星形胶质细胞：GFAP 在远离斑块的细胞中表达更高，这可能反映了远端的反应性状态。
• 血管细胞：ID3 在远离斑块的细胞中表达更高。

靠近Tau缠结：

总体关联性较弱，部分原因是早期Braak阶段个体缺乏缠结。

THEMIS（抵抗性神经元标记）、星形胶质细胞的GFAP和少突胶质细胞的PLP1在远离缠结的区域表达更高。

NEFL 和 NEFM 在远离缠结的细胞中表达较低，这与在斑块附近观察到的模式相反。这暗示，聚集tau可能是一种保护机制，使得靠近缠结的神经元反而承受的应激更小。

2. 病理交互作用

当同时考虑与斑块和缠结的距离时，发现了一些具有交互效应的基因（如谷氨酸能神经元中的ACTG1和DYNC2LI1），表明两种病理共同构成了复杂的微环境。

3. 基于区域的微环境分析：斑块密度的影响

研究还分析了高斑块密度区域与无斑块区域的基因表达差异。

在不含斑块的区域，谷氨酸能神经元的 NEFM 表达较低，这与距离分析结果相互印证。

在含有斑块的区域，小胶质细胞中著名的AD风险基因 BIN1 表达上升。

仅在低病理程度个体的斑块区域，发现了 SERPINE1（一种抑制Aβ降解酶的基因）的表达下降，这暗示在疾病早期，个体可能仍保有较强的清除Aβ的潜力。

研究综合运用单核RNA测序、CARTANA原位测序及免疫组化技术，系统揭示了阿尔茨海默病颞叶皮层在细胞组成和空间分布上的关键变化：研究发现特定深层谷氨酸能神经元（THEMIS+/POSTN+）在晚期Braak阶段表现出显著抵抗力，而RORB+兴奋性神经元及PVALB+抑制性神经元则呈现区域性易损特征；同时，研究首次在白质中观测到神经元亚群的病理相关性变化，并通过空间转录组学首次绘制了病理斑块周边微环境的细胞分子图谱，发现星形胶质细胞GFAP表达呈现非单模态分布、小胶质细胞稳态基因存在差异化调控等新型空间生物学现象。这些多模态发现不仅验证了单核测序结果，更通过空间维度揭示了AD病理微环境的细胞异质性。

最后来看看方法

区域基因富集

空间环境中病理诱导的基因表达变异性

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