▎藥明康德內(nèi)容團隊編輯
據(jù)WHO數(shù)據(jù)，癡呆癥已經(jīng)困擾著全球超過5500萬的人群，而阿爾茨海默?。ˋD）是癡呆癥中最常見的一種類型，占據(jù)癡呆癥病例中的60%-70%。該疾病給個人和社會帶來極大的公共衛(wèi)生負擔。
為了找到治療AD的新靶點，麻省理工學院的研究者對AD患者大腦中各類細胞進行了迄今最廣泛的研究，涉及到細胞基因組、表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄組等多個遺傳水平變化。研究使用的樣本來自400多名去世患者的大腦，總共用于分析的大腦細胞數(shù)量超過了200萬個。
基于如此廣泛的數(shù)據(jù)，《細胞》雜志一次性發(fā)表了4篇論文，向我們展示了迄今為止最全面的AD相關(guān)遺傳和分子圖譜，與以往研究關(guān)注淀粉樣蛋白斑塊不同，該系列研究試圖找到的是AD發(fā)生的分子驅(qū)動因素、最脆弱的細胞類型以及驅(qū)動神經(jīng)變性的其他潛在生物學途徑。該系列的研究領(lǐng)導者為麻省理工學院的蔡立慧教授和Manolis Kellis教授。接下來，讓我們一起看看4篇論文具體內(nèi)容。
找到薄弱的神經(jīng)元
在第一篇論文中，研究人員使用單細胞RNA測序分析了患者樣本中54種細胞的基因表達模式，并確定AD患者受影響最大的細胞功能。他們發(fā)現(xiàn)，AD患者涉及線粒體功能、突觸信號和維持基因組結(jié)構(gòu)完整相關(guān)蛋白質(zhì)的基因表達受損最為顯著。
研究者還根據(jù)是否出現(xiàn)認識功能障礙，將AD患者分為了兩組進行比較。實際上，即使有些人已經(jīng)出現(xiàn)了一定程度的淀粉樣蛋白累積，但仍然可以保持敏銳的認知功能。根據(jù)作者的分析，認知能力強的個體，他們前額葉皮層中有兩組抑制性神經(jīng)元的數(shù)量更多。這部分細胞在一些出現(xiàn)癡呆癥的患者大腦內(nèi)表現(xiàn)出更脆弱、更易死亡的特征。
這也說明，特定的抑制性神經(jīng)元是維持認知功能的關(guān)鍵，即使存在AD的病理特征，這部分細胞仍能支持健康的認知功能。
基因組變異的作用
第二篇論文聚焦于基因組變異在神經(jīng)退行性疾病中的作用。在阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病中，神經(jīng)元中持續(xù)存在DNA雙鏈斷裂（DSB），是一個典型的早期病理標志。這對基因組的完整性和穩(wěn)定性究竟會造成什么樣的破壞？
研究團隊使用單核RNA測序技術(shù)，分析了去世者的前額葉皮層樣本，發(fā)現(xiàn)在阿爾茨海默病患者的樣本中，興奮性神經(jīng)元的體細胞嵌合基因融合（mosaic gene fusion）增加。
基因融合指的是兩個基因的部分序列融合形成嵌合基因，在后續(xù)的生物學過程中可能形成異常轉(zhuǎn)錄本或蛋白質(zhì)。在腫瘤的發(fā)生過程中，由于染色體易位、缺失等原因所致的基因融合是常見的重要病因。而此次研究發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)退行性疾病的病理過程中，具有DNA損傷修復和衰老基因特征的興奮性神經(jīng)元中，基因融合事件尤其突出。
▲研究示意圖（圖片來源：參考資料[2]）
在神經(jīng)變性小鼠模型中，體細胞基因組結(jié)構(gòu)變異和基因融合同樣在DNA雙鏈斷裂的神經(jīng)元中多發(fā)。此外，在DNA雙鏈斷裂多發(fā)的神經(jīng)元中還可以觀察到，基因組的三維組織結(jié)構(gòu)同樣發(fā)生了漸進的多尺度破壞，與突觸、神經(jīng)元發(fā)育和組蛋白基因的轉(zhuǎn)錄變化是一致的。
論文總結(jié)說，這證明神經(jīng)元的DNA雙鏈斷裂對基因組穩(wěn)定性及其三維結(jié)構(gòu)組織的破壞是神經(jīng)退行性疾病進展過程中的病理步驟。
小膠質(zhì)細胞有何差異？
第三篇論文主要關(guān)注了小膠質(zhì)細胞，它們扮演著大腦中免疫細胞的角色，主要負責清除大腦中的廢物，還會對損傷和感染做出反應，也能參與神經(jīng)元的通訊過程。在2015年，蔡立慧教授與Kellis教授就曾發(fā)現(xiàn)，全基因組關(guān)聯(lián)研究中找到的與AD相關(guān)的變異主要活躍在小膠質(zhì)細胞等免疫細胞中，遠遠超過其他的大腦細胞類型。
在新研究中，作者借助RNA測序，根據(jù)數(shù)百種基因的表達水平將小膠質(zhì)細胞劃分成了12種不同的狀態(tài)。結(jié)果顯示，隨著AD的進展，更多的小膠質(zhì)細胞逐漸進入了炎癥狀態(tài)。大腦中不斷加重的炎癥會導致血腦屏障功能出現(xiàn)退化，神經(jīng)元之間的交流變得更加困難。
除此之外，AD患者大腦中用于促進大腦平衡、維護大腦功能正常運作的小膠質(zhì)細胞數(shù)量顯著減少了，研究者根據(jù)轉(zhuǎn)錄組分析，找到了一些在維持小膠質(zhì)細胞穩(wěn)態(tài)中比較重要的基因，他們計劃在未來探索激活這些基因或相關(guān)表達分子的方式，以此來控制小膠質(zhì)細胞的狀態(tài)，減少大腦中的炎癥。
構(gòu)建轉(zhuǎn)錄組圖譜
在最后一篇論文中，研究團隊對44名阿爾茨海默病患者以及48名健康人群的前額葉皮質(zhì)樣本，構(gòu)建了表觀基因組和轉(zhuǎn)錄組圖譜，從表觀遺傳層面解析了阿爾茨海默病進程中的調(diào)控程序，并且揭示了晚期患者的表觀遺傳組侵蝕與細胞身份喪失現(xiàn)象。
近期的研究工作已經(jīng)找到了數(shù)十個具有阿爾茨海默病風險的非編碼位點，但這些位點在轉(zhuǎn)錄組、表觀遺傳與細胞水平上的機制與轉(zhuǎn)錄調(diào)控通路在很大程度上仍然未知，這也阻礙了對新療法的搜尋。
為了解決以上問題，研究團隊使用了一種名為ATAC-Seq的技術(shù)，該技術(shù)能夠以單細胞分辨率測定整個基因組中位點的可及性。將以上數(shù)據(jù)與單細胞RNA測序數(shù)據(jù)相結(jié)合，研究團隊得以將基因表達量信息與該基因的可及性聯(lián)系起來。
▲研究示意圖（圖片來源：參考資料[4]）
利用該途徑，研究團隊能夠追蹤阿爾茨海默病相關(guān)基因的基因表達與表觀基因組可及性的變化，他們還鑒定出了最有可能表達這些疾病相關(guān)基因的細胞類型，發(fā)現(xiàn)其最常發(fā)生在腦部的免疫細胞——小膠質(zhì)細胞中。
此外，研究還發(fā)現(xiàn)隨著阿爾茨海默病的進展，在晚期疾病的大腦中出現(xiàn)了全局性的表觀基因組調(diào)節(jié)障礙，各類細胞都會遭遇表觀遺傳組侵蝕現(xiàn)象，以及細胞身份的喪失。這些發(fā)現(xiàn)也為阿爾茨海默病的機制研究指出了新的方向。
參考資料：
[1]Single-cell atlas reveals correlates of high cognitive function, dementia, and resilience to Alzheimer’s disease pathology. Cell (2023). DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.08.039
[2]Neuronal DNA double-strand breaks lead to genome structural variations and 3D genome disruption in neurodegeneration. Cell (2023). DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.08.038
[3]Human microglial state dynamics in Alzheimer’s disease progression. Cell (2023). DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.08.037
[4]Epigenomic dissection of Alzheimer’s disease pinpoints causal variants and reveals epigenome erosion. Cell (2023). DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.08.040
