人类中脑的单核配对多组学分析揭示了与年龄和帕金森病相关的胶质细胞变化

单核多组学分析揭示人类中脑的年龄相关和帕金森病相关的神经胶质细胞变化

研究背景

年龄是帕金森病（Parkinson’s Disease, PD）的主要风险因素之一。虽然已知年龄在PD发病中的重要作用，但有关年龄如何改变大脑的基因表达和调控景观的细节仍不清楚。现有的大部分研究集中在转录组学的分析或遗传因素的探索上，但缺少关于人类中脑不同细胞类型在老化和PD病程中基因表达和染色质可及性变化的详细数据。因此，本研究通过多组学手段，采用单核分析技术，揭示了年轻、年老及PD患者中脑的基因表达和染色质可及性变化，以理解老化在PD发病中的作用。

论文来源

本篇研究论文发表于《Nature Aging》期刊，题为“一种对人类中脑的单核配对多组学分析揭示了与年龄和帕金森病相关的神经胶质细胞变化”。论文的作者包括Levi Adams、Min Kyung Song、Samantha Yuen、Yoshiaki Tanaka和Yoon-Seong Kim等，研究团队分别来自Rutgers-Robert Wood Johnson Medical School、Bates College、Kyung Hee University、Maisonneuve-Rosemont Hospital Research Center和University of Montreal。文章在线发表于2024年3月。

研究流程详细介绍

样本采集和单核分离

研究团队从年轻（平均24岁）、年老（平均75岁）和PD患者（平均81岁）的离世后中脑样本中分离出核体，样本信息详见补充材料表1。选择中脑黑质进行分析，并使用单核RNA测序（snRNA-seq）和单核转座酶可及染色质测序（snATAC-seq）技术，分别通过10x Genomics single cell multiome ATAC + gene expression kit进行配对。初步过滤后，39,289个高质量的来自31个个体的核体（包括来自9位年轻捐赠者，8位年老捐赠者和14位PD患者）被保留下来。

数据处理和分析

数据通过批处理校正，使用Seurat和Harmony软件包进行规范化、可变基因和主成分分析（PCA）、以及统一流形逼近和投影（UMAP）降维。共识别出23个核体群集，并通过已知细胞类型的标记基因分类成七大细胞类型：神经元（NS）、少突胶质细胞（ODCs）、星形胶质细胞（ASs）、小神经胶质细胞（MG）、少突胶质前体细胞（OPCs）、内皮细胞（ECs）和外周免疫细胞/T细胞（Ts）。

主要实验结果

综合分析显示，大多数中脑细胞是少突胶质细胞（ODCs），其次是小神经胶质细胞（MG）、少突胶质前体细胞（OPCs）、星形胶质细胞（ASs）和神经元（NS）。基于ATAC数据的聚类显示这些细胞的关键位点具有独特的染色质可及性。进一步分析发现，少突胶质细胞和小神经胶质细胞在年轻与年老以及年老与PD组间有显著的差异（P < 0.01和P < 0.05）。

细胞特异性的基因表达模式展示了在不同组间存在差异表达的基因，其中一些基因，如neat1、fkbp5和slc38a2，被多种细胞类型差异表达。这些结果提供了可能的神经功能和代谢途径的变化提示。

多组学峰-基因关联分析

尽管不同细胞类型间染色质可及性的分布存在明显差异，在同一细胞类型内不同组间的差异较少。基因表达与染色质可及性并不总是紧密相关，这表明可能依赖于更复杂的DNA远程调控元件间相互作用。研究利用与单核数据匹配的峰-基因关联分析框架，生成峰-基因关联图并发现在不同组间的显著变化，例如neat1和rasgrf1。

PD相关单核苷酸多态性（SNPs）的分析

通过对之前已发布的PD GWAS数据库进行比对，找出每种细胞类型中与PD相关的SNPs。大多数与PD相关的SNPs被检测到的不同细胞类型，这些SNPs与大脑中精细可及的峰相关，但与全基因组范围的差异表达区域较少关联。比较这些SNPs和已知的高三甲基化组蛋白H3K27ac HiChIP数据，发现ODC峰-基因关联显著重叠（P<1.0×10−334）。

通过结合这些数据，确认染色质可及峰在黑质细胞类型中的特异表达及其可能的调控作用，并找出PD相关SNPs。

研究结论

本文通过单核多组学分析揭示了人类中脑中神经胶质细胞在老化和PD病程中的动态变化，尤其是少突胶质细胞在PD发病中可能扮演的重要角色。研究结果表