AD研究深入！研究觀察單個阿爾茨海默病神經(jīng)元的體細(xì)胞基因組變化
本文由brainnews腦科學(xué)世界團(tuán)隊原創(chuàng)編譯，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系授權(quán)。
阿爾茨海默病(AD)是一種常見的、進(jìn)行性的、致命的年齡相關(guān)性神經(jīng)退行性疾病，其特征是神經(jīng)元丟失和錯誤折疊蛋白的沉積。淀粉樣蛋白-β寡聚物的形成可能啟動疾病發(fā)病機(jī)制，觸發(fā)包括tau神經(jīng)原纖維纏結(jié)和氧化應(yīng)激的發(fā)展在內(nèi)的級聯(lián)事件。盡管有大量關(guān)于錯誤折疊蛋白形成的機(jī)制研究，但AD細(xì)胞功能障礙的機(jī)制還不清楚。
近日，美國馬薩諸塞州波士頓兒童醫(yī)院曼頓孤兒病中心遺傳學(xué)和基因組學(xué)部Christopher A. Walsh教授在國際著名期刊Nature發(fā)表題為“somatic genomic changes in single alzheimer’s disease neurons”的研究文章，文章為了驗(yàn)證基因組損傷的特定機(jī)制影響AD神經(jīng)元的假設(shè)，研究人員對AD患者和正常對照組的單個神經(jīng)元進(jìn)行了單細(xì)胞全基因組測序(scWGS)，以比較與AD相關(guān)的體細(xì)胞突變的數(shù)量、基因組位置和種類。
衰老過程中神經(jīng)元的體細(xì)胞突變
研究人員對從AD患者和神經(jīng)正常對照個體的大腦中分離出的錐體神經(jīng)元進(jìn)行了scWGS。分析了8例AD患者的91個神經(jīng)元和18個正常對照組的159個神經(jīng)元。在正常個體，神經(jīng)元sSNVs隨著年齡的增加的速度為每年16-21個sSNVs。使用來自其他人體組織的克隆擴(kuò)增細(xì)胞進(jìn)行的研究顯示，sSNVs每年的增幅從13 -55 sSNVs不等，說明更快分裂的細(xì)胞類型的比率更高。
AD的體細(xì)胞突變
研究人員評估了8個AD個體大腦神經(jīng)元中的sSNVs負(fù)擔(dān)，發(fā)現(xiàn)AD神經(jīng)元在年齡基礎(chǔ)上顯示出比預(yù)期更多的sSNVs。這種變化在神經(jīng)元之間是可變的，反映了特定大腦區(qū)域神經(jīng)元中AD病理的可變存在。在MDA實(shí)驗(yàn)中，AD神經(jīng)元與年齡匹配的神經(jīng)典型對照組神經(jīng)元直接相比，也顯示出sSNVs顯著增加。
在PFC中，觀察到8例AD個體中有7例的sSNVs相對于正常老化顯著增加。AD中sSNV計數(shù)最高的幾個基因組來自于海馬體，其中8個病例中的5個也顯示了與正常老化相比sSNV的顯著增加。這些結(jié)果表明，AD中的神經(jīng)元包含了數(shù)百個額外的sSNVs，超出了其年齡的預(yù)期，這表明疾病過程產(chǎn)生的基因組損傷水平相當(dāng)于超過十年的正常sSNVs積累。
AD神經(jīng)元的突變特征分析
研究人員進(jìn)行了突變特征分析，以確定是否有特定的過程導(dǎo)致AD神經(jīng)元的體細(xì)胞改變。研究人員把分析重點(diǎn)放在神經(jīng)元特征A和C，因?yàn)樘卣鰾包含克隆發(fā)育突變。在所有樣本中，突變隨年齡的增長而增加。特征A也顯示了相對于年齡匹配的對照組，AD的邊際增加，這在MDA實(shí)驗(yàn)中沒有達(dá)到統(tǒng)計學(xué)意義，但表明這些突變機(jī)制可能在疾病背景下被加強(qiáng)。
另一方面，與對照組相比，AD神經(jīng)元的特征C顯著增加，這占了觀察到的大部分過度變化。與特征A相比，特征C在神經(jīng)元之間顯示了更多的變化，這表明特征C可能是由不規(guī)則的“災(zāi)難性”事件導(dǎo)致的，與特征A所代表的均勻衰老形成對比。
AD神經(jīng)元的氧化損傷
DNA氧化，之前在AD個體大腦中觀察到的，可能與AD中多余的sSNVs有關(guān)，研究人員直接檢測了單個神經(jīng)元的核苷酸氧化損傷。由于氧化應(yīng)激導(dǎo)致的最常見的氧化核苷酸損傷是8-氧鳥嘌呤(8-oxoG)，因此它被用作細(xì)胞氧化狀態(tài)和DNA損傷的生物標(biāo)志物。8-oxoG抗體免疫熒光顯微鏡顯示AD神經(jīng)元中8-oxoG水平顯著高于正常對照組，表明氧化核苷酸損傷水平的增加導(dǎo)致AD神經(jīng)元中特征A的變化和特征C的增加。
轉(zhuǎn)錄對體細(xì)胞SNVs的影響
對神經(jīng)元功能和存活至關(guān)重要的基因突變可能直接影響細(xì)胞的適應(yīng)性。盡管在人類神經(jīng)元中轉(zhuǎn)錄基因的優(yōu)先修復(fù)，但基因組轉(zhuǎn)錄區(qū)域的sSNVs負(fù)擔(dān)與大腦中的基因表達(dá)水平相關(guān)。
當(dāng)這一觀察結(jié)果以特征分離時，隨著表達(dá)的增加，研究人員觀察到特征A突變增加，特征C突變減少。對于特征A，轉(zhuǎn)錄過程中的事件似乎在產(chǎn)生突變中起作用，而特征C與表達(dá)負(fù)相關(guān)，因此可能在轉(zhuǎn)錄過程中更有效地修復(fù)。
總 結(jié)
綜上所述，AD患者大腦中的興奮神經(jīng)元積累了基因組損傷--可能是永久性的突變--超過了衰老本身造成的水平。AD神經(jīng)元中基因組SNV積累的模式似乎不同于正常衰老。這些基因組變化可能包括一系列表現(xiàn)，包括單鏈DNA損傷和雙鏈突變。
未來專門設(shè)計的比較DNA損傷和永久性突變的研究可能會進(jìn)一步揭示這些相關(guān)現(xiàn)象對AD的不同影響。隨著技術(shù)的進(jìn)步，其他類型的體細(xì)胞變異--如短插入和缺失、結(jié)構(gòu)變異和逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)位事件--也可以進(jìn)行更深入的探索。
參考文獻(xiàn)
Miller, M.B., Huang, A.Y., Kim, J.et al. Somatic genomic changes in single Alzheimer’s disease neurons. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04640-1
編譯作者：Dr.Hu（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊）
校審：Simon（brainnews編輯部）
