空間富集とゲノム分析が明らかにするNOMO1と筋萎縮性側索硬化症の関連性

序論

運動ニューロン病（ALS）は、脳と脊髄の運動ニューロンが徐々に失われる深刻な神経変性疾患です。大多数の孤発性ALS患者において、その遺伝的素因は未だ確定していませんが、TDP-43蛋白病理学は多数のALS患者（> 97%）の主要な特徴です。さらに、ALSと関連する25以上の遺伝子が報告されているにもかかわらず、約90%の孤発性ALS患者は既知の変異で説明することができません。既存の研究は、脳組織構造の複雑性が細胞間相互作用、生物学的機能および病理学の基礎であることを示しており、細胞タイプと領域の脆弱性を理解することが精密医療において極めて重要です。

研究の背景と目的

本研究の目的は、ALS関連遺伝子が脳の特定の領域における脆弱性を評価し、領域特異的遺伝子とALSリスクとの遺伝的関連を明らかにすることです。そのために、研究チームはエントロピー加重差異遺伝子発現マトリックスに基づくツールSpatialeを開発し、空間トランスクリプトミクス（ST）における遺伝子セットの空間富集を識別しました。Spatialeと他の富集ツール（多モード交差分析[MIA]など）をベンチマークし、人間の運動皮質と背外側前頭前皮質（DLPFC）におけるALS関連遺伝子の空間富集を分析しました。さらに、Cell2Locationを用いてALS関連皮質層内の細胞タイプの豊度を推定し、全ゲノムシーケンシング（WGS）を通じてALS患者と対照群における稀な機能喪失（LoF）変異を負担分析し、TargetALS RNA-Seqデータセットで差異遺伝子発現分析を実施しました。

ワークフロー

Spatialeツールの開発と評価

研究チームはSpatialeツールを開発し、エントロピー加重法を使用して差異遺伝子発現マトリックスを推定し、事前定義された遺伝子セットの空間クラスター（領域）における富集の有意性を計算しました。Spatialeモデルの原理は、空間特異的な遺伝子の発現が領域の平均発現レベルからどれだけ偏差しているかによって、その空間特異性が強くなるというものです。Spatialeの性能を検証するため、研究チームはまずマウス脳組織と人間のDLPFCにおける領域細胞タイプの空間富集を評価し、Spatialeが予期された空間領域において領域細胞タイプをより正確かつ具体的に識別できることを示しました。

人間の運動皮質の空間トランスクリプトミクス分析

分析者は、神経が正常な2人の被験者と1人のALS患者の遺体運動皮質サンプルでSTを実施しました。UMAPクラスタリングは、興奮性および抑制性ニューロンを含む20種類の細胞タイプを明らかにしました。空間クラスタリング及びHE染色により、灰白質領域の一貫性が確認されました。研究チームはSpatialeとMIAを使用して、上記サンプル中の3つの領域細胞タイプ（l2/3、l3/5及びoligo）の空間富集を分析し、Spatialeの誤報結果が少ないことを発見しました。

ALS関連遺伝子の運動皮質における発現の空間富集

Spatialeを使用して3つの人間運動皮質および2つのDLPFC組織で空間富集分析を行った結果、260個のALS関連遺伝子が運動皮質とDLPFCの第5層（L5）皮質で顕著に富集していることが判明しました。さらに、ヒートマップ分析により、L5皮質におけるNeFL（神経フィラメント軽鎖）が最高の加重差異発現を示していることが明らかになり、これは上位運動ニューロンとL5興奮性ニューロンの高い発現領域と一致しています。さらに、Cell2Locationを使用して運動皮質中のALS関連領域の細胞構成を分析し、L5皮質の上位運動ニューロンとL5興奮性ニューロンの割合が高いことを発見しました。

NOMO1遺伝子変異とALSリスクの関係

他のL5関連遺伝子とALSリスクの遺伝的関連を評価するためにWGSが行われ、6,814名のALS患者と3,324名の対照群における1,050個の一般的なL5関連遺伝子の稀な機能喪失変異の負担を分析しました。その結果、NOMO1遺伝子の機能喪失負担が対照群よりも有意に高いことが示されました。RNA-Seqデータ分析もまた、ALS患者においてNOMO1の発現が低下していることを示し、単独症例比較と症例対照分析を組み合わせた結果、NOMO1が機能喪失メカニズムを通じてALSリスクを上昇させる可能性が示唆されました。

結論

新しい空間富集ツールSpatialeを開発し、ゲノムデータと組み合わせることで、本研究はALSの領域脆弱性の理解を拡大しました。Spatialeは高い特異性と精度を示し、差異遺伝子発現マトリックスを加重評価によって異なる細胞タイプの特異的マーカー遺伝子を評価し、人間およびマウスの複数の脳組織で優れた空間富集性能を実現しました。さらに、L5運動皮質関連遺伝子の遺伝的分析を通じて、NOMO1が新たなALS関連遺伝子である証拠を発見し、ALSにおけるNOMO1発現低下が潜在的な機能喪失メカニズムであることを明らかにしました。この包括的なST及びゲノム分析方法は、今後のALSの領域脆弱性のさらなる探求に新しい視点と方法を提供します。