空間轉(zhuǎn)錄組助力背外側(cè)前額葉皮層與壓力相關(guān)的抑郁行為分子機(jī)制研究

最近研究表明，小膠質(zhì)細(xì)胞與抑郁癥的發(fā)展有關(guān)，激活小膠質(zhì)細(xì)胞的信號通路可能導(dǎo)致抑郁行為。本研究通過結(jié)合單細(xì)胞核測序與空間轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，研究與社會(huì)壓力相關(guān)的抑郁行為的雌性食蟹獼猴的背外側(cè)前額葉皮層的細(xì)胞和分子變化。單細(xì)胞數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)與抑郁行為相關(guān)的基因表達(dá)變化主要發(fā)生在小膠質(zhì)細(xì)胞中，并鑒定了促炎癥性小膠質(zhì)細(xì)胞亞群顯著富集。通過空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)鑒定了與抑郁行為相關(guān)的富集基因模塊的空間定位。該研究結(jié)果確定了雌性非人類靈長類動(dòng)物中與抑郁行為相關(guān)的小膠質(zhì)細(xì)胞亞群。

 

文章題目：Integrating spatial and single-nucleus transcriptomic data elucidates microglial-specific responses in female cynomolgus macaques with depressive-like behaviors

中文題目：整合空間和單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，闡明具有抑郁樣行為的雌性食蟹獼猴中小膠質(zhì)細(xì)胞特異性反應(yīng)機(jī)制

發(fā)表時(shí)間：2023.06

期刊名稱：nature neuroscience

影響因子：25

實(shí)驗(yàn)平臺：單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測序、空間轉(zhuǎn)錄組測序

DOI：https://doi.org/10.1038/s41593-023-01379-4

 

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

 

實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線

 

 

 研究結(jié)果 

 

1、低社會(huì)等級獼猴易出現(xiàn)抑郁癥狀

首先，研究者篩選了三個(gè)種群，使用David評分（DS）確定每個(gè)群體的社會(huì)等級。接下來，研究者進(jìn)行行為學(xué)測試，量化了6個(gè)抑郁行為指標(biāo)，包括擁擠、獨(dú)坐、運(yùn)動(dòng)、友好、攝入和社會(huì)等級。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，等級高的獼猴很少表現(xiàn)出抑郁特征；而等級低的個(gè)體表現(xiàn)出顯著（DL）的或較弱（RES）的抑郁行為。

 

Fig.1 不同等級獼猴群體抑郁行為的鑒定

 

2、抑郁獼猴dlPFC樣本的snRNA-seq分析

研究者從三組樣本（對照組、DL和RES)中，共分離出19份dlPFC樣本，進(jìn)行細(xì)胞核單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序檢測。數(shù)據(jù)結(jié)果共聚類到35個(gè)cluster，通過非人類靈長類動(dòng)物和人類腦組織中報(bào)道的細(xì)胞marker進(jìn)行注釋和細(xì)胞比例分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在dlPFC中，最豐富的細(xì)胞類型為神經(jīng)元細(xì)胞和膠質(zhì)細(xì)胞（93.23%）。

 

Fig.2 snRNA-seq分析DL組dlPFC

 

3、DL組不同細(xì)胞類型的分子特征分析

研究者比較了DL組和對照組之間不同細(xì)胞類型的基因表達(dá)差異。在所有主要細(xì)胞類型中鑒定了240個(gè)差異表達(dá)基因（DEG），其中神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞比神經(jīng)元表現(xiàn)出更顯著的變化，并且是細(xì)胞類型特異性的。其中，小膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)大部分的DEG，主要與小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)激活有關(guān)。通過共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析，鑒定到了3個(gè)基因簇（GC1-3），其中每個(gè)基因簇細(xì)胞的特異性和功能與抑郁不同表型有關(guān)。此外，研究者還使用CellphoneDB預(yù)測了細(xì)胞間的互作，發(fā)現(xiàn)DL獼猴比對照組有更多的受體配體對，其中小膠質(zhì)細(xì)胞主要參與DL特異性通信。

 

Fig.3 神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中主要DEG組成共表達(dá)基因簇

 

4、小膠質(zhì)細(xì)胞優(yōu)先受DL影響 

通過比較，研究者發(fā)現(xiàn)小膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)了大量的DEG。此外，與其他類型的細(xì)胞相比，小膠質(zhì)細(xì)胞與MDD密切相關(guān)。因此，研究者對小膠質(zhì)細(xì)胞單獨(dú)進(jìn)行了聚類，以探索與DL相關(guān)的小膠質(zhì)細(xì)胞亞群。5735個(gè)小膠質(zhì)細(xì)胞都聚類成8個(gè)亞群。通過比較每個(gè)亞群與對照組的相對豐度，發(fā)現(xiàn)Mic03（高表達(dá)IQGAP2）在DL中富集，并且DL組所有小膠質(zhì)細(xì)胞亞群中IQGAP2+小膠質(zhì)細(xì)胞比例顯著增加。因此，Mic03可能是DL組一種特異性的小膠質(zhì)細(xì)胞亞型。功能富集顯示，Mic03表現(xiàn)出顯著的促炎信號，富集到促炎相關(guān)pathway。因此，研究者將Mic03命名為“具有抑郁樣表型的促炎小膠質(zhì)細(xì)胞”（PIMID）。

 

Fig.4 在DL中富集的促炎小膠質(zhì)細(xì)胞亞群的鑒定

 

5、空間轉(zhuǎn)錄組測序定義的皮質(zhì)層區(qū)域

dlPFC在指導(dǎo)行為方面至關(guān)重要，接下來對其進(jìn)行了空間轉(zhuǎn)錄組測序。通過數(shù)據(jù)分析，將具有相似基因標(biāo)記的spot合并為4個(gè)區(qū)，并命名為ST region1-4。ST region1對應(yīng)第1層，ST region2對應(yīng)第2-3層，ST region3對應(yīng)第4-6層，ST region4對應(yīng)白質(zhì)層。利用單細(xì)胞數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，對每個(gè)spot點(diǎn)進(jìn)行反褶積，評估不同ST區(qū)主要細(xì)胞類型組成的變化。結(jié)果顯示，興奮性神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞是切片中的主要細(xì)胞群，并且細(xì)胞類型的比例隨層結(jié)構(gòu)而變化。

 

Fig.5 ST區(qū)在dlPFC中具有層結(jié)構(gòu)

 

6、抑郁行為相關(guān)模塊位于不同的ST區(qū)域

研究者將與抑郁行為相關(guān)的基因模塊映射到ST區(qū)域，研究抑郁行為是否與特定空間區(qū)域有關(guān)。結(jié)果顯示，積極和消極情緒行為相關(guān)模塊的空間分布有所不同。消極情緒相關(guān)的基因模塊主要分布在淺表皮層（ST region1），并在少突膠質(zhì)細(xì)胞、興奮性神經(jīng)元和中間神經(jīng)元中表達(dá)；PIMID亞型主要分布于STregion 3。PIMID亞型在人類和獼猴dlPFC皮層空間的定位可能有助于對抑郁行為進(jìn)行針對性的干預(yù)。

 

Fig.6  ST區(qū)與抑郁表型相關(guān)

 

 

主要結(jié)論

 

本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷了長期的社會(huì)壓力，具有抑郁的雌性獼猴dlPFC 中，細(xì)胞類型特異性基因變化主要發(fā)生在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中。小膠質(zhì)細(xì)胞中的差異基因表現(xiàn)出與抑郁行為相關(guān)的表達(dá)模式。此外，研究者還發(fā)現(xiàn)了dlPFC小膠質(zhì)細(xì)胞亞型（PIMID），與四種行為顯著相關(guān)，并參與激活促炎通路。對dlPFC切片的空間轉(zhuǎn)錄組測序分析，發(fā)現(xiàn)了抑郁行為特異性空間功能區(qū)域。該研究通過對snRNA-seq和ST數(shù)據(jù)的整合，系統(tǒng)地解剖了獼猴dlPFC中各種抑郁樣表型的細(xì)胞特異性變化以及參與抑郁表型模塊的空間定位，為抑郁癥提供了潛在的治療靶點(diǎn)。

 

 

參考文獻(xiàn)：

Wu J, Li Y, Huang Y, et al. Integrating spatial and single-nucleus transcriptomic data elucidates microglial-specific responses in female cynomolgus macaques with depressive-like behaviors. Nat Neurosci. 2023;26(8):1352-1364. doi:10.1038/s41593-023-01379-4