非人灵长类动物大脑单细胞多组学图谱发布,助力神经系统疾病精确定位

发布时间:2020-06-01

近日,深圳华大生命科学研究院、昆明理工大学灵长类转化医学研究院、美国艾伦脑科学研究所、深圳国家基因库、中国科学院广州生物医药与健康研究院、广州市华珍生物科技等单位联合在BioRxiv上在线发表题为《Single-cell regulatory landscape and disease vulnerability map of adult Macaque cortex》(成年猕猴大脑皮层单细胞调控和疾病易感性图谱)的文章。

 

该研究是深圳华大生命科学研究院与昆明理工灵长类转化医学研究院等机构继非人灵长类动物体外胚胎培养系统、非人灵长类动物器官图谱之后,又一篇在非人灵长类脑科学研究领域的代表性合作成果。
 

非人灵长类动物与人类在解剖结构、组织器官功能等方面非常相似,是理想的临床前实验动物模型。其中,食蟹猴的大脑皮层组织在许多方面与人类相似,系统分析食蟹猴的大脑皮层细胞的表达调控机制,将对使用食蟹猴进行脑及神经性疾病模型研究具有重要的指导意义,以及为深入了解脑科学的复杂机制提供了珍贵资源。

 

猴脑与人脑结构类似

摘自 David C. Van Essen et al., PANS, 2019(https://doi.org/10.1073/pnas.1902299116)

 

本研究基于单细胞染色质可及性测序技术scATAC-seq(single-cell assay for transposase-acccesible chromatin using sequencing,利用测序技术进行单细胞转座子可及染色质分析)和单核转录组测序技术snRNA-seq(single-nucleus RNA sequencing,单细胞RNA测序),首次报道了成年食蟹猴大脑皮层的单细胞染色质可及性和转录组图谱。通过对食蟹猴初级视皮层(primary visual cortex, V1)、初级运动皮层(primary motor cortex, M1)以及前额皮质(prefrontal cortex, PFC)等3个区域脑组织中单细胞染色质可及性及基因表达进行了联合分析,分别鉴定出神经细胞和非神经细胞的转录组细胞亚型及表观组学细胞亚型。通过两个组学整合分析,神经细胞和非神经细胞亚型在两个组学的数据中能较好对应,上层(Upper layer)和下层(Lower layer)大脑皮层中的兴奋性神经元以及不同亚型的抑制性神经元都也能在两个组学间较好整合。

 

食蟹猴脑细胞转录组和表观组学细胞聚类

 

对三个脑区染色质可及性数据进一步研究发现,V1区域和额叶区域(frontal cortex, FC, 包含PFC和M1区域)的兴奋性神经元细胞存在显著的表观调控的区域差异,而其它细胞类型并未出现类似差异。将兴奋性神经元在V1区域和FC皮层区域分为上层和下层进行区域间比较后发现,区域间差异调控基因大量富集在肌动蛋白丝加工通路以及脂质体转运通路基因上,提示了这两个通路在大脑皮层的区域差异上发挥重要作用,为今后对皮层功能的区域差异研究提供了重要的候选。

 

兴奋性神经细胞群体在大脑皮层不同区域的分布

 

髓鞘的重要组成少突胶质细胞(oligodendrocytes, OLI)在中枢神经系统(central nervous system, CNS)中支持神经元,并在动作电位的跳跃式传导中发挥重要作用,神经退行性疾病和神经发育障碍(包括多发性硬化症)中多见髓鞘再生障碍。已有研究揭示小鼠和人脑中OLI成熟和髓鞘形成的转录和表观遗传调控途径,但是对这两种调控的动态相关仍欠缺了解。本研究利用单细胞染色质可及性数据和单细胞转录组数据同时构建OPC(Oligodendrocyte progenitor cell,少突胶质前体细胞)向OLI分化轨迹,发现谷氨酸能,γ-氨基丁酸能和钙信号传导以及Wnt调控通路在少突胶质细胞成熟路径中的染色质可及性及基因表达水平的动态变化,提示了染色质可及性和调控原件的特定变化如何影响从OPC到OLIs的成熟轨迹,从而标记出脱髓鞘疾病的潜在靶标。

 

少突胶质细胞(OLI)成熟轨迹的转录图谱和表观图谱

 

非人灵长类动物脑单细胞基因组学数据的主要优势是为精神病学和神经病学的临床前研究提供直接的数据资源。作者利用LDSC(linkage disequilibrium score regression,连锁不平衡回归分析)方法对染色质可及性和转录组的细胞亚群来预测神经系统疾病和神经精神疾病的风险易感性,发现阿尔茨海默病(Alzheimer's disease, AD)主要与MIC(microglia, 小胶质细胞)亚群强相关,精神类疾病与神经细胞呈高相关性,这与现有报道一致;进一步发现与EX(excitatory neuron, 兴奋性神经细胞)相关的精神类疾病可能与额叶大脑皮层区域相关。同时,基于转录组数据提供了细胞类型特异性可变剪接与疾病风险富集的关联,例如AD中少突胶质细胞的富集和MDD(major depressive disorders,抑郁症)中SST型抑制性神经元的富集。

 

疾病风险在脑细胞类型的富集

 

该项目负责人文章第一作者、深圳华大生命科学研究院超级细胞所雷莹博士表示,为满足人类对于自身寿命和健康日益提升的需求,针对人体疾病的发生发展和相关的药物研究的需求也日渐激增,因此,非人灵长类动物模型已成为生命大健康领域研究的中心。华大联合全球多个顶级机构发布了的首个高分辨率的成年非人灵长类动物大脑的单细胞染色质可及性和基因表达图谱,为脑科学研究和神经系统疾病的新药研制提供了前所未有的高精度研究基础。

 

* 本文转载自微信公众号“BGI华大”