人間中脳の単一核ペア多オミクス分析が年齢およびパーキンソン病関連のグリア変化を明らかに

単核多オミクス分析が明らかにした人間の中脳における年齢とパーキンソン病に関連する神経膠細胞の変化

研究背景

年齢はパーキンソン病（Parkinson’s Disease, PD）の主要なリスク要因の一つです。年齢がPD発症に重要な役割を果たすことは知られていますが、年齢が脳の遺伝子発現と調節景観をどのように変えるかについてはまだ詳しく分かっていません。現行の研究のほとんどはトランスクリプトミクスの分析や遺伝的要因の探索に集中しており、人間の中脳の様々な細胞タイプにおける老化とPD病程での遺伝子発現および染色体の利用可能性の変化についての詳細なデータが不足しています。したがって、本研究では多オミクス手法を用いて、単核分析技術により、若年、高齢およびPD患者の中脳における遺伝子発現と染色体のアクセス可能性の変化を明らかにし、老化がPD発症にどのように関与するかを理解することを目指しました。

研究論文の出典

本研究論文は『Nature Aging』に掲載されたもので、題名は「単核ペアリング多オミクス分析による、人間の中脳における年齢およびパーキンソン病関連の神経膠細胞変化の解明」です。論文の著者にはLevi Adams、Min Kyung Song、Samantha Yuen、Yoshiaki Tanaka、Yoon-Seong Kimなどが含まれており、研究チームはRutgers-Robert Wood Johnson Medical School、Bates College、Kyung Hee University、Maisonneuve-Rosemont Hospital Research Center、およびUniversity of Montrealから構成されています。論文は2024年3月にオンラインで発表されました。

研究手法の詳細紹介

サンプル採取と単核分離

研究チームは若年（平均24歳）、高齢（平均75歳）およびPD患者（平均81歳）の死亡後の中脳サンプルから核体を分離しました。サンプル情報は補足資料表1に記載されています。中脳黒質を分析対象に選び、単核RNAシーケンシング（snRNA-seq）および単核トランスポーザーム利用可能染色体シーケンシング（snATAC-seq）技術を使用し、それぞれ10x Genomics single cell multiome ATAC + gene expression kitを通じてペアリングしました。初期フィルタリング後、39,289個の高品質な核体（31人の個体から、9人の若年ドナー、8人の高齢ドナー、14人のPD患者を含む）が保たれました。

データ処理と分析

データはバッチ処理補正を通じて、SeuratおよびHarmonyソフトウェアを使用して正規化、可変遺伝子と主成分分析（PCA）、および統一埋め込み法（UMAP）の次元削減を行いました。23個の核体クラスターを同定し、既知の細胞タイプのマーカー遺伝子に基づいて7つの主要な細胞タイプに分類しました：神経細胞（NS）、オリゴデンドロサイト（ODCs）、星状細胞（ASs）、ミクログリア（MG）、オリゴデンドロサイト前駆細胞（OPCs）、内皮細胞（ECs）および外周免疫細胞/T細胞（Ts）。

主要実験結果

包括的な分析により、大多数の中脳細胞がオリゴデンドロサイト（ODCs）であることが明らかになり、次いでミクログリア（MG）、オリゴデンドロサイト前駆細胞（OPCs）、星状細胞（ASs）、神経細胞（NS）の順であることが示されました。ATACデータに基づいたクラスター分析では、これらの細胞の重要な領域が独自の染色体アクセス可能性を持つことが示されました。さらに、若年と高齢および高齢とPDグループ間でオリゴデンドロサイトとミクログリアに顕著な違いがあることが発見されました（P < 0.01およびP < 0.05）。

細胞特異的な遺伝子発現パターンは、異なるグループ間で異なる遺伝子が発現していることを示しました。いくつかの遺伝子、例えばneat1、fkbp5、およびslc38a2は、多くの細胞タイプで差異が見られました。これらの結果は、神経機能および代謝経路の変化の可能性を示唆しています。

多オミクスピーク-遺伝子関連分析

異なる細胞タイプ間で染色体アクセス可能性の分布に顕著な違いが見られる一方で、同じ細胞タイプ内でのグループ間の違いは少なかったです。遺伝子発現と染色体のアクセス可能性は常に密接に関連しているわけではなく、これはDNAの遠隔調節要素間のより複雑な相互作用に依存している可能性が示唆されます。研究は単核データに一致するピーク-遺伝子関連分析フレームワークを使用して、ピーク-遺伝子関連図を生成し、neat1やrasgrf1のような異なるグループ間の顕著な変化を発見しました。

PD関連単核酸多型（SNPs）の分析

過去に発表されたPD GWASデータベースを用い、各細胞タイプに関連するPD関連のSNPsを特定しました。大多数のPD関連SNPsは異なる細胞タイプで検出され、これらのSNPsは脳内のフィンなアクセス可能ピークに関連していますが、全ゲノムレベルの差異発現領域とはあまり関連していませんでした。これらのSNPsを既知の高メチル化ヒストンH3K27ac HiChIPデータと比較したところ、ODCピーク-遺伝子関連が顕著に重複していることがわかりました（P<1.0×10−334）。

これらのデータを組み合わせることで、染色体アクセス可能ピークが黒質細胞タイプにおいて特異的に発現され、その調節役割の可能性が確認され、PD関連SNPsが同定されました。

研究結論

本研究は単核多オミクス分析により、人間の中脳における神経膠細胞の老化とPD病程での動的変化を明らかにし、特にオリゴデンドロサイトがPD発症において重要な役割を果たす可能性があることを示しました。研究結果