PTDP-43水平与C9orf72 ALS/FTD患者前额叶皮层细胞特异性分子变化的相关性

背景介绍

肌萎缩侧索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS）和额颞叶痴呆（Frontotemporal Dementia, FTD）是两种进行性神经退行性疾病，它们的共同特征是中枢神经系统（CNS）中特定神经元群体的丧失。尽管这两种疾病在症状上有所不同，但它们有着共同的遗传和神经病理学特征，尤其是C9orf72基因中的G4C2六核苷酸重复扩展突变，被认为是ALS和FTD最常见的遗传原因。

ALS主要表现为运动神经元的退化，导致肌肉无力和呼吸衰竭，而FTD则表现为额叶和颞叶皮层的退化，导致认知功能逐渐下降。在这两种疾病中，TAR DNA结合蛋白43（TDP-43）的磷酸化、错误定位和聚集是神经病理学的标志性特征。TDP-43是一种广泛表达的核蛋白，参与RNA代谢，包括RNA剪接和mRNA稳定性。研究表明，TDP-43的病理负担与ALS和FTD患者中受影响细胞群体的退化程度相关。

然而，由于难以获取活体脑组织样本，研究神经退行性疾病患者在疾病进展过程中大脑的变化具有挑战性。因此，本研究旨在通过分析C9orf72 ALS/FTD患者前额叶皮层的单细胞多组学数据，揭示不同细胞类型在疾病进展过程中的分子变化，尤其是与PTDP-43水平相关的细胞特异性变化。

论文来源

本论文由来自Emory University School of Medicine、Mayo Clinic、University of Florida等多个机构的科研团队合作完成，主要作者包括Hsiao-Lin V. Wang、Jian-Feng Xiang、Victor G. Corces和Zachary T. McEachin等。论文于2025年2月25日发表在《PNAS》（Proceedings of the National Academy of Sciences）期刊上，题为“PTDP-43 levels correlate with cell type–specific molecular alterations in the prefrontal cortex of C9orf72 ALS/FTD patients”。

研究流程

1. 样本获取与分组

本研究使用了来自C9orf72 ALS/FTD患者和健康对照者的死后脑组织样本，主要分析了前额叶皮层（Brodmann area 9）的细胞。样本分为两组：19例C9orf72 ALS/FTD患者和7例年龄/性别匹配的健康对照者。所有C9orf72 ALS/FTD患者均具有ALS和/或FTD的临床诊断，并表现出不同程度的认知障碍。

为了研究PTDP-43水平对疾病进展的影响，研究人员根据PTDP-43的水平将C9orf72 ALS/FTD患者分为三组：PTDPneg（PTDP-43水平低于100）、PTDPmed（PTDP-43水平在100到2000之间）和PTDPhigh（PTDP-43水平高于2000）。

2. 单细胞多组学分析

研究人员使用10x Genomics Chromium单细胞多组学技术，对前额叶皮层的单细胞核进行了转录组（snRNA-seq）和表观基因组（snATAC-seq）的同时分析。通过对来自Emory和Mayo两个脑库的样本进行分析，研究人员分别获得了34,874和53,331个单细胞核的多组学数据。

数据分析采用了ArchR和Seurat软件包，进行了质量控制、降维和批次效应校正。通过统一流形逼近与投影（UMAP）和无监督聚类，研究人员在Emory样本中识别了31个细胞簇，在Mayo样本中识别了20个细胞簇。这些细胞簇被进一步细分为主要的皮质细胞类型，包括兴奋性神经元、抑制性神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞、少突胶质细胞、少突胶质前体细胞和内皮细胞。

3. 差异基因表达与染色质可及性分析

研究人员对每个细胞类型进行了差异基因表达（DEGs）和染色质可及性（Differentially Accessible Regions, DARs）的分析。结果表明，PTDPhigh组的非神经元细胞（尤其是少突胶质细胞）中出现了大量的DARs，表明在疾病晚期，转录因子结合位点的改变可能是细胞功能失调的标志。

此外，研究人员还发现，PTDPhigh组的非神经元细胞中出现了大量的差异表达基因，这些基因主要参与突触传递、髓鞘形成和微管蛋白编码。通过分析染色质可及性与基因表达之间的关联，研究人员发现了一些与疾病进展相关的关键基因，如CCK、SUN2和SOX10。

4. 少突胶质细胞成熟障碍

研究发现，在PTDPhigh组中，少突胶质细胞中出现了大量未成熟的前髓鞘形成少突胶质细胞，这些细胞通常只在成年大脑中短暂存在。这表明在疾病晚期，少突胶质细胞的成熟过程受到阻碍，可能是由于PTDP-43的细胞质聚集或核内TDP-43的丢失所致。

5. 小胶质细胞与星形胶质细胞的变化

研究发现，小胶质细胞在疾病早期就表现出神经元监视功能的丧失，并在疾病晚期进一步加剧。此外，星形胶质细胞在疾病晚期表现出NEAT1和RPS6KA2基因的上调，这些基因与RNA保留和核蛋白磷酸化有关，可能参与了疾病晚期的病理过程。

研究结论

本研究通过单细胞多组学分析，揭示了C9orf72 ALS/FTD患者前额叶皮层中不同细胞类型在疾病进展过程中的分子变化。研究发现，PTDP-43的积累与非神经元细胞（尤其是少突胶质细胞）的染色质可及性和基因表达的广泛改变相关。此外，少突胶质细胞的成熟障碍、小胶质细胞的神经元监视功能丧失以及星形胶质细胞的异常激活，都是疾病进展的重要特征。

这些发现不仅深化了我们对C9orf72 ALS/FTD病理机制的理解，还为未来的治疗干预提供了潜在的靶点和时机。

研究亮点

1. 单细胞多组学分析：本研究首次结合了单细胞转录组和表观基因组分析，全面揭示了C9orf72 ALS/FTD患者前额叶皮层中不同细胞类型的分子变化。
2. PTDP-43水平的分类研究：通过根据PTDP-43水平对患者进行分组，研究人员能够系统地研究疾病不同阶段的细胞和分子变化。
3. 少突胶质细胞成熟障碍：研究发现，PTDP-43的积累导致少突胶质细胞成熟障碍，这可能是疾病晚期神经元退化的一个重要原因。
4. 小胶质细胞与星形胶质细胞的异常激活：研究揭示了小胶质细胞和星形胶质细胞在疾病早期和晚期的不同反应，为理解神经炎症在神经退行性疾病中的作用提供了新的见解。

研究意义

本研究不仅为C9orf72 ALS/FTD的病理机制提供了新的见解，还为未来的治疗策略提供了潜在的靶点。通过揭示不同细胞类型在疾病进展中的分子变化，研究人员为开发针对特定细胞类型的治疗方法奠定了基础。此外，本研究还展示了单细胞多组学技术在神经退行性疾病研究中的强大潜力，为未来的研究提供了新的方向。