颞叶癫痫中与突触密度网络功能障碍相关的转录下调GABA能基因

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颞叶癫痫 突触密度网络 SV2A PET 基因表达 GABA能抑制

揭示颞叶癫痫中突触密度网络功能紊乱的基因表达模式

背景

颞叶癫痫（Temporal Lobe Epilepsy, TLE）是最为常见的局灶性癫痫类型，其病理特征和发病机制长期以来吸引了神经科学领域的广泛关注。这种疾病不仅涉及单一脑区（如癫痫灶），而且被认为是一种影响广泛脑网络功能的疾病。颞叶癫痫的核心病理机制主要涵盖兴奋性和抑制性突触传递的不平衡，突触损失被认为是关键因素之一。这种突触网络的宏观变化可能进一步导致脑功能网络的功能紊乱，而基因层面的失调可能是这些突触改建的潜在推动因素。然而，目前对TLE患者体内全脑范围内突触密度网络（Synaptic Density Similarity Network, SDSN）以及其相关的基因表达机制尚缺乏深入研究。

考虑到上述问题，本文作者采用了多模态的神经影像学及转录组学结合的方法，首次探讨TLE体内SDSN宏观变化与基因表达模式之间的关系。此研究对揭示TLE的分子及遗传网络机制具有重要意义，并为基于网络的癫痫治疗开发提供了新的方向和可能性。

论文及研究来源

本文题为“Transcriptionally downregulated GABAergic genes associated with synaptic density network dysfunction in Temporal Lobe Epilepsy”，由Rong Li、Ling Xiao等人完成。研究团队来自多个研究机构，包括Xiangya Hospital, Central South University, Axel Rominger和Kuangyu Shi所在学术单位等。论文发表于2024年的《European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging》中。

研究设计及实验流程

本研究通过整合正电子发射断层扫描（Positron Emission Tomography, PET）及转录组数据，制定了一系列实验以解析TLE患者的SDSN功能紊乱，并探讨对应的基因失调机制。

实验总体设计

研究分为两个主要部分：1）使用新型放射配体[18F]Synvest-1进行PET扫描以评估TLE患者与健康对照（Healthy Control, HC）的全脑突触密度类比网络；2）结合两组独立转录组学数据，研究SDSN的拓扑变化与TLE风险基因的转录关联。实验流程具体如下：

  • 受试者选取与分组：
    PET扫描队列包括24名TLE患者和17名性别与年龄匹配的健康对照（HC）。癫痫灶的定位及诊断由两位专业癫痫学者通过综合多模态评估确定，包括神经病学历史、视频脑电（EEG）、结构MRI等。转录组分析包括6名TLE患者海马样本与6名尸检对照样本。此外，为覆盖全脑区域，研究还引用了Guelfi等人先前公开的一组包含161例TLE患者的时间皮质转录组数据。

  • [18F]Synvest-1 PET影像采集：
    参与者注射[18F]Synvest-1后进行静态PET成像，用于突触密度的定量分析图像。影像数据随后被配准到MRI影像及标准MNI空间，并基于核密度估计（Kernel Density Estimation, KDE）计算各脑区中正交体素强度的概率分布，再用Kullback-Leibler散度方法构建246×246维的全脑SDSN邻接矩阵。

  • 转录组测序：
    海马样本的RNA提取后，经Illumina HiSeq X Ten平台测序，数据分析使用HISAT2比对及差异基因表达（Differential Gene Expression, DGE）分析以筛选显著失调基因。此外，从公共数据库Allen Human Brain Atlas (AHBA)中获取15,633个基因的全脑空间表达数据用于分析。

  • 多变量统计与图网络指标：
    基于PET数据的SDSN，采用图论分析工具箱计算了节点权重强度（Weighted Strength）、权重聚类系数（Weighted Clustering Coefficient）和加权路径长度（Weighted Path Length）。同时，将SDSN变化与TLE风险基因表达模式间的关系通过偏最小二乘回归法（Partial Least Squares, PLS）进行建模分析。

研究结果

SDSN的全脑及网络特性改变

  • 全局层面：
    研究发现，TLE患者在SDSN连接强度及聚类系数上显著低于健康对照，同时具有更长的网络路径长度。这表明TLE患者的SDSN存在全局连接效率下降和局部信息处理功能减弱的现象。

  • 局部节点层面：
    从脑区分布看，突触网络的功能紊乱主要集中在额叶及顶叶-皮质联合区域、颞叶、边缘系统（如杏仁核）以及基底节区和丘脑。这些区域广泛参与记忆整合、癫痫传播及发作意识状态的调控功能。

转录组与SDSN节点映射

  • TLE相关基因表达模式：
    交叉分析多组数据后，共鉴定出5451个TLE风险基因，其中2908个显著上调，3250个显著下调。研究还发现这些基因的表达模式与PET数据中节点权重的变化显著相关，解释了13%的全脑突触网络变化。

  • 关键基因：
    在影像-转录组关联分析中，发现GABA能调控基因SLITRK3及RBFOX1在TLE患者中显著下调。SLITRK3参与抑制性突触形成，其缺乏导致癫痫易感性增加。此外，RBFOX1下调会引起抑制性突触传递功能降低，从而引发神经兴奋性过度。

功能富集及基因交互网络

通过GO功能富集及KEGG通路分析，发现GABA能突触调节，长时程增强（Long-Term Potentiation, LTP）及钙信号通路受到显著影响，提示这些生物过程可能共同参与了TLE突触紊乱。进一步基因交互分析指出RBFOX1是关键中心节点，与SLITRK3和ROCK2等基因间存在显著遗传交互作用。

研究意义与价值

本研究通过结合SDSN影像学与基因组学，首次揭示了TLE体内突触网络功能紊乱的基因表达基础，明确了在颞叶癫痫中GABA能基因下调对突触结构和功能的重大影响。同时，研究提供了全新的分子和遗传水平上的癫痫靶点，为未来基于网络的治疗策略（如基因疗法或分子药物开发）创造了可能性。

此外，本研究采用了一个新型PET放射配体[18F]Synvest-1及个体化的Kullback-Leibler散度相似度评估方法，这些技术的应用也为大脑复杂网络的动态捕获提供了技术创新。

亮点总结

  • 首次结合in vivo分子影像与转录组数据，系统解析颞叶癫痫中突触密度网络功能紊乱的基因表达关联。
  • 确立SLITRK3和RBFOX1在癫痫突触网络功能紊乱中的核心作用，突出了其作为潜在治疗目标的价值。
  • 创新使用[18F]Synvest-1和个体化SDSN分析框架，拓展了癫痫及大脑网络领域的工具箱。