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神经生物学疾病是一种非常普遍的、且具有显著的发病率和死亡率的疾病，包括癫痫、多发性硬化症、阿尔茨海默氏症、自闭症、重度抑郁症等。阿尔茨海默氏病（Alzheimer’s disease，AD）是发生于老年和老年前期、以进行性认知功能障碍和行为损害为特征的中枢神经系统退行性病变。临床上表现为记忆障碍、失语、失用、失认、视空间能力损害、抽象思维和计算力损害、人格和行为改变等。

单细胞RNA测序(scRNA-seq)是一项新技术，常规RNA测序获得的是百万细胞的基因表达平均数，而scRNA-seq测量单个细胞的基因表达，从而对组织功能产生更丰富的理解。scRNA-seq可以帮助发现与疾病有关的新细胞，提出新的病理生理机制，发现新的药物靶点，或鉴定潜在的生物标志物，还可以推进个性化医疗。此外，scRNA-seq还可以识别基因调控网络可能为病理生理学提供进一步的见解。

相关研究进展

神经生物学疾病的scRNA-seq研究主要采用对死后脑组织或由人类外周细胞产生的脑类器官进行高通量测序。一般对死后脑组织进行scRNA-seq或单核RNA测序（snRNA-seq）高通量测序。scRNA-seq同时测量单细胞的细胞质和细胞核中的转录本，而snRNA-seq仅测量单个细胞的细胞核中的转录本。

一项研究检查了AD患者和未患病的年龄匹配对照组的大脑内嗅皮层(Grubman et al.， 2019)。他们注意到应激反应基因(如线粒体基因、热休克基因和分子伴侣基因)在多种细胞类型中的上调。在AD样本中，神经元表现出GABA受体(GABRA2、GABRB1)、谷氨酸受体(GRIA2、GRID2)和神经素(NRXN1、NRXN3)基因的下调，与AD中突触的缺失一致。与胶质细胞发育和分化相关的基因(如BIN1和CNTN2)在星形胶质细胞和少突胶质细胞中上调，可能是对髓磷脂损失的代偿反应。AD患者内皮细胞上调了参与细胞因子分泌和免疫反应的基因(HLA-E、MEF2C和NFKBIA)。作者还利用他们的数据构建了基因调控网络，并研究了与AD相关的转录因子和下游靶基因之间的关系。

Mathys等人对AD患者死后大脑的前额叶皮层和无病理对照进行了snRNA-seq测序，发现AD的兴奋性神经元和少突胶质细胞显示髓鞘相关基因上调(例如- LINGO1)。小胶质细胞和星形胶质细胞分别显示CD81和GFAP等基因上调，提示这些细胞类型在AD中被激活。作者还比较了早期和晚期AD样本中细胞特异性基因表达的变化。与早期AD样本相比，晚期AD样本中的多种细胞类型的蛋白质折叠基因、分子伴侣基因和全局应激反应基因上调。值得注意的是，Murphy等人使用最佳实践方法重新分析了该数据集，并发现了不同的结果，强调了基于不断发展的平台重新评估数据集的重要性。

另一项研究考察了TREM2基因的不同变体如何影响AD患者死后大脑中的单核基因表达(Zhou et al.， 2020)。TREM2是一种小胶质受体。这种受体的突变会影响小胶质细胞包围与阿尔茨海默病相关的斑块的能力，导致更大的神经元功能障碍。与TREM2的常见变体相比，TREM2的R62H变体和R47H变体增加了AD的风险。

Leng等人对AD患者死后的大脑进行了snRNA-seq测序，以表征AD进展过程中细胞相对丰度的变化(Leng et al.， 2021)。他们使用了Braak阶段0、2和6的样本，分别代表了tau神经原纤维病理的前期、早期和晚期。作者观察到，与对照组相比，Braak 6期AD患者的内嗅皮层和额上回的兴奋性神经元减少。另外，随着阿尔茨海默病的进展，两个大脑区域的抑制性神经元转录本没有变化，但内嗅皮层的小胶质细胞计数有增加的趋势。

Belonwu等人对Grubman等人和Mathys等人的数据进行了两次重新分析，确定了基于APOE基因型的细胞特异性基因表达的差异(Belonwu et al.， 2022a)。作者根据APOE基因型观察到不同细胞类型的基因表达差异。例如，与APOE3/3小胶质细胞相比，APOE3/4小胶质细胞表现出胶质发生、髓鞘形成、阳离子跨膜运输和细胞投射途径的上调。Belonwu等人还重点关注性别如何影响AD中细胞特异性基因的表达(Belonwu等人，2022b)。作者发现，阿尔茨海默病的细胞特异性基因表达因性别而异。例如，参与轴突发芽的通路在男性AD患者的小胶质细胞中特异性下调，而参与突触可塑性的磷酸二酯酶4B通路在女性AD患者的小胶质细胞中特异性下调。这些结果证明了APOE基因型和性别在AD中单细胞基因表达的差异，并强调了在神经生物学疾病中单细胞水平评估性别差异的重要性。

未来的研究方向

这篇综述回顾的大多数研究只检查了一个或几个大脑区域的组织，并且大多数检查的样本是皮质的。然而，其他大脑区域也参与了神经生物学疾病的发病机制。值得注意的是，杏仁核、纹状体和海马体在目前人脑神经生物学疾病的scRNA-seq研究中没有得到很好的代表，在单细胞水平上检查大脑的其他区域是必要的。

其他未来的方向可能包括将scRNA-seq与单细胞蛋白质组学相结合。一些研究发现，转录物水平与蛋白质水平之间的相关性并不总是显著的，因此单细胞蛋白质组学可能更好地代表细胞功能/表型。这些信息对于药物发现尤其有用，因为大多数治疗的目标通常是蛋白质，而不是mRNA。

一些研究只使用了少量样本或分析了相对较少的细胞，未来的研究应该通过纳入更多的样本和分析更多的细胞来提高研究质量。此外，这些研究使用了不同的质量控制方法，因此使用最严格的实践方法重新分析数据集是有益的，它将推动该领域的发展，使所有来自死后脑组织sc-或snRNA-seq研究数据公开可用，允许小组之间的合作和对患病组织数据的荟萃分析。总的来说，还有很多有待进一步研究的开放领域。

参考文献

T. Jordan Walter, Robert K. Suter, Nagi G. Ayad. An overview of human single-cell RNA sequencing studies in neurobiological disease. Neurobiol Dis. 2023 August ; 184: 106201. doi:10.1016/j.nbd.2023.106201.

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