Une analyse multiomique appariée par noyaux uniques du mésencéphale humain révèle des changements gliaux associés à l’âge et à la maladie de Parkinson

Analyse multimodale à noyau unique révèle les changements des cellules gliales du mésencéphale humain liés à l’âge et à la maladie de Parkinson

Contexte de la recherche

L’âge est l’un des principaux facteurs de risque de la maladie de Parkinson (Parkinson’s Disease, PD). Bien que l’importance de l’âge dans le développement de la PD soit reconnue, les détails sur la manière dont l’âge modifie l’expression et la régulation des gènes dans le cerveau restent flous. La plupart des études actuelles se concentrent sur l’analyse transcriptomique ou l’exploration des facteurs génétiques, mais manquent de données détaillées sur les changements d’expression génétique et d’accessibilité chromatinienne dans différents types de cellules du mésencéphale humain au cours du vieillissement et de la maladie de Parkinson. Par conséquent, cette étude utilise des techniques multimodales, telles que l’analyse à noyau unique, pour révéler les changements d’expression génétique et d’accessibilité chromatinienne dans le mésencéphale de jeunes, de personnes âgées et de patients atteints de la PD, afin de comprendre le rôle du vieillissement dans la pathogenèse de la PD.

Source de l’article

Cet article de recherche a été publié dans la revue «Nature Aging», intitulé “A Multimodal Paired Single-Nucleus Analysis of the Human Midbrain Reveals Age- and Parkinson’s Disease-Associated Glial Cell Changes”. Les auteurs comprennent Levi Adams, Min Kyung Song, Samantha Yuen, Yoshiaki Tanaka et Yoon-Seong Kim, et l’équipe de recherche provient du Rutgers-Robert Wood Johnson Medical School, du Bates College, de l’Université de Kyung Hee, du Centre de recherche de l’hôpital Maisonneuve-Rosemont et de l’Université de Montréal. L’article a été publié en ligne en mars 2024.

Description détaillée du processus de recherche

Collecte des échantillons et isolation des noyaux

L’équipe de recherche a isolé des noyaux à partir de mésencéphales post-mortem de jeunes (moyenne de 24 ans), de personnes âgées (moyenne de 75 ans) et de patients atteints de la PD (moyenne de 81 ans). Les détails des échantillons sont disponibles dans le tableau des matériaux supplémentaires 1. Les échantillons de la substance noire du mésencéphale ont été analysés à l’aide du séquençage RNA à noyau unique (snRNA-seq) et du séquençage d’accessibilité à la chromatine par la transposase à noyau unique (snATAC-seq), en utilisant le kit 10x Genomics single cell multiome ATAC + gene expression. Après filtrage initial, 39 289 noyaux de haute qualité provenant de 31 individus (dont 9 jeunes donneurs, 8 donneurs âgés et 14 patients atteints de la PD) ont été conservés.

Traitement et analyse des données

Les données ont été corrigées par traitement par lots, normalisées et analysées pour les gènes variables et l’analyse en composantes principales (PCA) en utilisant les packages Seurat et Harmony, ainsi que la réduction dimensionnelle Uniform Manifold Approximation and Projection (UMAP). 23 clusters de noyaux ont été identifiés et classés en sept principaux types cellulaires : neurones (NS), oligodendrocytes (ODCs), astrocytes (ASs), microglies (MG), cellules progénitrices d’oligodendrocytes (OPCs), cellules endothéliales (ECs) et cellules immunitaires périphériques/T (Ts).

Principaux résultats expérimentaux

L’analyse intégrée a montré que la majorité des cellules du mésencéphale étaient des oligodendrocytes (ODCs), suivis des microglies (MG), des cellules progénitrices d’oligodendrocytes (OPCs), des astrocytes (ASs) et des neurones (NS). Le regroupement basé sur les données ATAC montre que ces cellules ont une accessibilité chromatinienne unique à des sites clés. Une analyse plus approfondie a révélé des différences significatives entre les jeunes et les vieux, ainsi qu’entre les vieux et les groupes PD (P < 0,01 et P < 0,05) pour les oligodendrocytes et les microglies.

Les profils d’expression génétiques spécifiques aux cellules ont montré des gènes différemment exprimés entre les groupes, parmi lesquels certains gènes, tels que neat1, fkbp5 et slc38a2, étaient différemment exprimés dans plusieurs types de cellules. Ces résultats suggèrent des changements potentiels dans les fonctions neuronales et les voies métaboliques.

Analyse des associations pic-gène multimodales

Malgré des différences évidentes dans la distribution de l’accessibilité chromatinienne entre les types de cellules, les différences étaient moindres entre les groupes au sein du même type de cellule. L’expression génique et l’accessibilité chromatinienne n’étaient pas toujours étroitement corrélées, ce qui indique des interactions potentielles entre des éléments régulateurs à distance plus complexes. L’étude a utilisé un cadre d’analyse des associations pic-gène correspondant aux données des noyaux uniques pour générer une carte des associations pic-gène et a trouvé des changements significatifs entre les groupes, notamment pour neat1 et rasgrf1.

Analyse des SNPs associés à la maladie de Parkinson

En comparant avec la base de données GWAS publiée pour la PD, des SNPs associés à la PD ont été identifiés dans chaque type de cellule. La plupart des SNPs associés à la PD ont été détectés dans différents types de cellules, et ces SNPs étaient corrélés avec des pics d’accessibilité chromatinienne fine dans le cerveau mais étaient moins associés aux zones d’expression génique différentielle à l’échelle du génome entier. En comparant ces SNPs avec les données HiChIP du triméthyl-histone H3K27ac publiées, il a été constaté que les associations pic-gène sont significativement enrichies dans les ODC (P<1.0×10−334).

En combinant ces données, l’étude a confirmé l’expression spécifique des pics d’accessibilité de la chromatine dans les types de cellules de la substance noire et leur rôle régulateur potentiel, et a identifié des SNPs associés à la PD.

Conclusion de la recherche

Cet article révèle les changements dynamiques des cellules gliales dans le mésencéphale humain pendant le vieillissement et le développement de la PD à l’aide d’une analyse multimodale à noyau unique. Les résultats mettent en évidence le rôle potentiel important des oligodendrocytes dans la pathogénèse de la PD. Les résultats de l’étude ont un potentiel significatif pour élucider les mécanismes sous-jacents du vieillissement et de la PD.