空间富集和基因组分析揭示NOMO1与肌萎缩侧索硬化症的关联

引言

运动神经元病（ALS）是一种严重的神经退行性疾病，患者的脑部和脊髓中运动神经元逐渐丧失。尽管在绝大多数间歇性ALS患者中，其遗传易患性仍然不确定，但TDP-43蛋白病理学是多数ALS患者（> 97%）的主要特征。此外，已有超过25个基因被报道与ALS有关，但大约90%的间歇性ALS患者无法用已知突变解释。现有研究表明，脑组织结构的复杂性是细胞间相互作用、生物功能和病理学的基础，了解细胞类型和区域脆弱性对于精确医学至关重要。

研究背景与目标

本研究旨在评估ALS相关基因在脑区域的脆弱性，并揭示区域特异性基因与ALS风险之间的遗传联系。为此，研究团队开发了一种基于熵加权差异基因表达矩阵的工具Spatiale，用于识别空间转录组学（ST）中基因集合的空间富集。通过将Spatiale与其他富集工具如多模式交集分析（MIA）进行基准测试，研究团队分析了人类运动皮质和背外侧前额皮质（DLPFC）中ALS相关基因的空间富集。此外，研究还使用Cell2Location估计ALS相关皮质层中细胞类型的丰度，通过全基因组测序（WGS）对ALS患者和对照中的罕见功能损失（LoF）变异进行负担分析，并在TargetALS RNA-Seq数据集中进行差异基因表达分析。

作业流程

Spatiale工具开发与评估

研究团队开发了Spatiale工具，通过熵加权方法估计差异基因表达矩阵，计算预定义基因集合在空间簇（区域）中的富集显著性。Spatiale模型的原理是，空间特异性基因的表达与区域的平均表达水平的偏差程度越大，其空间特异性越强。为了验证Spatiale的性能，研究团队首先在小鼠脑组织和人类DLPFC中评估了区域细胞类型的空间富集，结果表明Spatiale能更准确和具体地在预期空间区域识别区域细胞类型。

人类运动皮质的空间转录组学分析

分析人员在两位神经正常受试者和一位ALS患者的遗体运动皮质样本上进行了ST。UMAP聚类揭示了运动皮质中的20种细胞类型，包括兴奋性和抑制性神经元、不神经元类型等。通过空间聚类及HE染色，确认了灰白质区域的一致性。研究团队使用Spatiale和MIA分析了上述样本中三个区域细胞类型（l2/3、l3/5及oligo）的空间富集，发现Spatiale产生的误报结果较少。

ALS相关基因在运动皮质中表达的空间富集

利用Spatiale对三个人类运动皮质和两个DLPFC组织进行了空间富集分析，发现260个ALS相关基因显著富集于运动皮质和DLPFC的第5层（L5）皮层。进一步，热图分析显示在L5皮层中的差异表达基因中NeFL（神经丝轻链）具有最高的加权差异表达，这与上运动神经元和L5兴奋性神经元高表达区域一致。此外，通过Cell2Location分析了运动皮质中ALS相关区域的细胞组成，发现L5皮层处的上运动神经元和L5兴奋性神经元占比较高。

NOMO1基因突变与ALS风险的关系

为了评估其他L5相关基因与ALS风险的遗传联系，进行了WGS，并在6,814名ALS患者与3,324名对照中分析了1,050个常见L5相关基因的罕见功能损失变异负担。结果表明，NOMO1基因的功能损失负担显著高于对照组。RNA-Seq数据分析还显示，ALS患者中NOMO1表达下调，结合单例比较和病例对照的分析，提示NOMO1可能通过功能丧失机制增加ALS风险。

结论

通过开发新的空间富集工具Spatiale并结合基因组数据，本研究扩展了ALS区域脆弱性的理解。Spatiale展现了高度的特异性和准确性，通过差异基因表达矩阵赋权评估不同细胞类型的特异性标志基因，在多个人类和小鼠脑组织中实现了卓越的空间富集性能。此外，通过对L5运动皮质相关基因的遗传分析发现了NOMO1作为新型ALS相关基因的证据，并揭示了NOMO1表达下调在ALS中的潜在功能丧失机制。这一综合的ST和基因组分析方法，为未来进一步探讨ALS区域脆弱性提供了新的视角和方法。