Nature最新：孤獨(dú)癥患者大樣本大腦皮層轉(zhuǎn)錄組分析有什么新發(fā)現(xiàn)？
神經(jīng)精神疾病通常缺乏明確的大腦病理學(xué)，但最近的研究已經(jīng)證明了分子水平的調(diào)節(jié)失調(diào)，其特征是轉(zhuǎn)錄組和表觀遺傳改變。在孤獨(dú)癥（又稱自閉癥，ASD）中，這種分子病理涉及皮層中小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)免疫基因的上調(diào)、突觸基因的下調(diào)以及基因表達(dá)梯度的減弱。然而，這些變化是局限于皮質(zhì)關(guān)聯(lián)腦區(qū)，還是更廣泛，仍不得而知。
近日，美國加州大學(xué)洛杉磯分校大衛(wèi)·格芬醫(yī)學(xué)院Daniel H. Geschwind研究團(tuán)隊在Nature發(fā)表研究，對來自ASD患者112個死后樣本中的725個大腦樣本（每個樣本橫跨11個皮層區(qū)域）進(jìn)行了RNA測序分析。發(fā)現(xiàn)了ASD大腦皮層中廣泛的分子變化，其范圍超出了皮層關(guān)聯(lián)區(qū)，并廣泛涉及到初級感覺區(qū)。
1. ASD的全皮層轉(zhuǎn)錄組學(xué)變化
首先，研究人員對ASD患者和對照組共725個樣本進(jìn)行了RNA測序分析（RNA-seq），這些樣本跨越11個不同的腦區(qū)和四個皮質(zhì)小葉區(qū)（額葉、頂葉、顳葉和枕葉），包括多個關(guān)聯(lián)區(qū)和初級感覺區(qū)。與之前研究相比，所分析的樣本和區(qū)域的數(shù)量增加了三倍以上。
在全皮層中發(fā)現(xiàn)了4223個基因和9474個轉(zhuǎn)錄物差異表達(dá)，且轉(zhuǎn)錄物比其相匹配的基因呈現(xiàn)更大幅度的變化[Fig.1c,d]。同時，觀察到ASD中所有11個皮層區(qū)域與全皮層轉(zhuǎn)錄組特征效應(yīng)的一致性，并在初級視覺皮層（BA17）中觀察到最大的信號[Fig.1e]。
Figure 1 ASD中跨11個皮質(zhì)區(qū)轉(zhuǎn)錄組差異
2. 區(qū)域特性弱化
在神經(jīng)型大腦中，可以根據(jù)基因表達(dá)的差異來區(qū)分皮層區(qū)域。但在ASD中額葉和顳葉兩個區(qū)域之間的典型基因表達(dá)差異顯著減弱，在本研究中稱之為轉(zhuǎn)錄組區(qū)域特性（ARI）的減弱。使用保守排列的統(tǒng)計方法對11個皮層區(qū)域進(jìn)行系統(tǒng)對比，發(fā)現(xiàn)在ASD中，分化皮層區(qū)域的基因表達(dá)差異顯著減少，產(chǎn)生了分子更均勻的皮層區(qū)域[Fig.2a,b]。
盡管基因廣泛失調(diào)，但更后面的區(qū)域BA17和頂葉皮層（BA39/40）表現(xiàn)出最大的變化，表明后部區(qū)域（BA17和BA39/40）表現(xiàn)出更強(qiáng)的衰減模式[Fig.2c,d]。
Figure 2 ASD中全皮層轉(zhuǎn)錄組區(qū)域特性衰減
3. 全皮層模塊含有ASD風(fēng)險基因
接下來，通過“模塊”將基因劃分為具有高水平共表達(dá)的簇，并通過其特征基因來概括?？偣灿?8個模塊在ASD的至少一個區(qū)域上調(diào)或下調(diào)。其中大多數(shù)可分為兩大類：（1）全皮層調(diào)節(jié)失調(diào)，各區(qū)域的幅度相當(dāng)（18個模塊）；或（2）表現(xiàn)出跨區(qū)域（13個模塊）的可變變化。在ASD的所有區(qū)域表現(xiàn)出一致的表達(dá)失調(diào)。包括：GeneM9，具有非蛋白編碼基因的顯著富集；GeneM32，代表反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞；GeneM24，富含參與血腦屏障功能的內(nèi)皮細(xì)胞和周細(xì)胞標(biāo)記基因。
GeneM5和IsoformM37是兩個皮層范圍內(nèi)調(diào)節(jié)失調(diào)的模塊，其中IsoformM37富含ASD常見遺傳風(fēng)險變體（但不是罕見突變），在ASD中上調(diào)，也是第一份與已知ASD風(fēng)險變體相關(guān)的ASD轉(zhuǎn)錄組學(xué)上調(diào)信號的報告，它表明ASD中的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)失調(diào)[Fig.3]。
Figure 3 共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析表征ASD風(fēng)險基因在全皮層范圍內(nèi)失調(diào)
4. 細(xì)胞類型特異性表達(dá)梯度
最后，使用snRNA-seq數(shù)據(jù)計算了ASD額葉、頂葉和枕葉區(qū)域的細(xì)胞類型特異性差異基因表達(dá)特征。觀察到一個顯著的區(qū)域梯度，在枕葉和頂葉細(xì)胞類型中觀察到的差異表達(dá)基因是PFC的三倍至四倍[Fig.4i]。
此外，罕見和常見的ASD相關(guān)基因變異都集中在涉及突觸信號傳導(dǎo)的下調(diào)的共表達(dá)模塊內(nèi)，并且在上調(diào)蛋白伴侶基因的模塊內(nèi)單獨(dú)富集了常見變異[Fig.4l]。
Figure 4 ASD中區(qū)域可變轉(zhuǎn)錄組失調(diào)的功能特征
總 結(jié)
本研究的發(fā)現(xiàn)大大完善了對ASD分子病理學(xué)的理解，超越了先前在額葉和顳葉中觀察到的“下調(diào)神經(jīng)元”和“上調(diào)神經(jīng)膠質(zhì)/免疫”的功能類別。上調(diào)的反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞和下調(diào)的血腦屏障膜轉(zhuǎn)運(yùn)體的基因表達(dá)特征在ASD中廣泛存在。但令人驚訝的是，ASD中最深刻的基因表達(dá)變化出現(xiàn)在初級視覺皮層（BA17）。
參考文獻(xiàn)
Gandal, Michael J et al. “Broad transcriptomic dysregulation occurs across the cerebral cortex in ASD.” Nature, 10.1038/s41586-022-05377-7. 2 Nov. 2022, doi:10.1038/s41586-022-05377-7
編譯作者：Young（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊）
校審：Simon（brainnews編輯部）
