細(xì)胞核分離試劑盒的應(yīng)用：探索人脊髓膠質(zhì)細(xì)胞異質(zhì)性

 

為了確定人類脊髓中每種神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞類型內(nèi)的異質(zhì)性，根據(jù)它們的轉(zhuǎn)錄特征，將星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞各自分類為六個(gè)亞群。在小鼠脊髓中，基于先前的研究結(jié)果，星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞分別被分類為五個(gè)、四個(gè)和五個(gè)亞群。通過進(jìn)一步分析每個(gè)亞群中獨(dú)特高表達(dá)的代表性標(biāo)記基因，最終鑒定出與軀體感覺系統(tǒng)障礙相關(guān)的幾種標(biāo)記基因。這些包括：人類星形膠質(zhì)細(xì)胞亞群1（C1）中的CACNB2（鈣電壓門控通道輔助亞基β2）；人類星形膠質(zhì)細(xì)胞亞群3（C3）和小鼠少突膠質(zhì)細(xì)胞亞群5（C5）中的SCN7A（鈉電壓門控通道α亞基7）；人類小膠質(zhì)細(xì)胞亞群1（C1）中的GRID2（谷氨酸離子型受體δ型亞基2）；小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞亞群2（C2）中的Ctss（組織蛋白酶S）；以及小鼠少突膠質(zhì)細(xì)胞亞群1（C1）中的Grm3（代謝型谷氨酸受體3）。
 

3. 神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞亞型的空間可視化
接下來，研究利用空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)探索了神經(jīng)膠質(zhì)亞型的空間位置。從最具代表性的腰椎膨大節(jié)段中選擇空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，并用每個(gè)樣本的相應(yīng)節(jié)段進(jìn)行分析，最終確定了五種主要的細(xì)胞亞型。利用SpaCET軟件，將每個(gè)樣本的snRNA-seq數(shù)據(jù)與相應(yīng)的空間切片相結(jié)合，以表征神經(jīng)膠質(zhì)亞型的分布模式。為了更詳細(xì)地分析不同神經(jīng)膠質(zhì)亞型的空間分布，研究將人類脊髓灰質(zhì)分為三個(gè)區(qū)域：淺背角（板層I-II）、深背角（板層III-VI）和腹角（板層VII-IX）（Todd, 2010）。小膠質(zhì)細(xì)胞C2和C5，以及少突膠質(zhì)細(xì)胞C3和C5，主要分布在淺背角；星形膠質(zhì)細(xì)胞C2、C5和C6，小膠質(zhì)細(xì)胞C3和C6，以及少突膠質(zhì)細(xì)胞C1、C2和C4，則出現(xiàn)在深背角；而小膠質(zhì)細(xì)胞C1和少突膠質(zhì)細(xì)胞C6則位于腹角。

4. 人與鼠的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞亞型異質(zhì)性
在UMAP分析中，人類脊髓的整體膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)據(jù)與小鼠的數(shù)據(jù)重疊良好。然而，按細(xì)胞類型細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)小鼠和人類在所有類型的膠質(zhì)細(xì)胞（包括星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞）中都存在顯著的異質(zhì)性。為了更深入地了解人類和小鼠之間經(jīng)典脊髓標(biāo)志物的保守性和差異性，后續(xù)分析了這些標(biāo)志物在兩種物種中的表達(dá)譜。這些標(biāo)志物包括眾所周知的離子通道、神經(jīng)遞質(zhì)受體、神經(jīng)肽和轉(zhuǎn)錄因子。

首先，研究分析了膠質(zhì)細(xì)胞亞群之間多個(gè)基因表達(dá)的差異。在星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞中，多個(gè)基因的表達(dá)水平在亞群之間顯示出顯著的異質(zhì)性。這些基因包括NALCN、Kcnj10、GRM3、Gria2、SOX5、CACNA1D、RORA和KCND2。

接下來，研究還比較了人類和小鼠膠質(zhì)細(xì)胞中這些標(biāo)志物基因的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。總體而言，轉(zhuǎn)錄模式在人類和小鼠之間存在顯著差異。在人類脊髓的星形膠質(zhì)細(xì)胞中，CACNA1C的表達(dá)顯著高于CACNA1E和CACNA1A；而在小鼠脊髓的星形膠質(zhì)細(xì)胞中，這些基因的表達(dá)沒有顯著差異。在人類脊髓星形膠質(zhì)細(xì)胞中，GRINA的表達(dá)高于GRIN3A，而在小鼠脊髓星形膠質(zhì)細(xì)胞中則相反。在人類脊髓星形膠質(zhì)細(xì)胞中，SOX5的表達(dá)高于RORB和ESRRG，而在小鼠脊髓星形膠質(zhì)細(xì)胞中，它們的表達(dá)水平相當(dāng)。在人類脊髓小膠質(zhì)細(xì)胞中，KCND2和KCND3的表達(dá)水平相當(dāng)，而在小鼠脊髓小膠質(zhì)細(xì)胞中，Kcnd2的表達(dá)水平高于Kcnd3。在人類脊髓小膠質(zhì)細(xì)胞中，OPRM1的表達(dá)高于HTR4；而在小鼠脊髓小膠質(zhì)細(xì)胞中，兩者表達(dá)無顯著差異。在人類脊髓小膠質(zhì)細(xì)胞中，ZFHX3的表達(dá)高于RORA，而在小鼠脊髓小膠質(zhì)細(xì)胞中則相反。在小鼠脊髓少突膠質(zhì)細(xì)胞中，Kcnq3的表達(dá)高于Kcnq1；而在人類脊髓少突膠質(zhì)細(xì)胞中，它們的表達(dá)相似。
 

5. 神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中與疾病相關(guān)的基因
首先，本研究探索了兩種慢性疼痛（神經(jīng)病理性和炎癥性）相關(guān)的基因表達(dá)模式。在星形膠質(zhì)細(xì)胞中，常見的神經(jīng)病理性/炎癥性疼痛基因RNF19A/Rnf19a在人類中高表達(dá)，但在小鼠中不表達(dá)，而GRM5/Grm5在小鼠中高表達(dá)，但在人類中僅略有表達(dá)。與神經(jīng)病理性疼痛相關(guān)的基因HMGB1/Hmgb1和DPYSL2/Dpysl2在人類星形膠質(zhì)細(xì)胞中高表達(dá)，但在小鼠中僅略有表達(dá)。DNMT3A/Dnmt3a在小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞中高表達(dá)，但在人類中僅略有表達(dá)。然而，與炎癥性疼痛相關(guān)的基因PRKCA/Prkca在人類和小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞中均表現(xiàn)出高表達(dá)水平。

在小膠質(zhì)細(xì)胞中，GRM5/Grm5在小鼠中高表達(dá)，但在人類中僅略有表達(dá)。與神經(jīng)病理性疼痛相關(guān)的基因HMGB1/Hmgb1、MAPK14/Mapk14、PIK3CB/Pik3cb和CRK/Crk在人類中高表達(dá)，但在小鼠中僅略有表達(dá)。與炎癥性疼痛相關(guān)的基因P2RX4/P2rx4在人類中高表達(dá)，但在小鼠中僅略有表達(dá)。在少突膠質(zhì)細(xì)胞中，GRM5/Grm5在小鼠中高表達(dá)，但在人類中僅略有表達(dá)。GRAP2/Grap2在人類C5中高表達(dá)，但在小鼠中僅略有表達(dá)。與小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞一樣，PRKCA/Prkca在人類和小鼠少突膠質(zhì)細(xì)胞中均表現(xiàn)出高表達(dá)。
 

6. 神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞簇的功能分配
為了探索每種膠質(zhì)細(xì)胞中富集基因的功能特性，進(jìn)行了GO術(shù)語分析，結(jié)果揭示了人類和小鼠之間幾個(gè)共同的生物過程。人類和小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞中的富集基因主要與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育有關(guān)，包括細(xì)胞-細(xì)胞粘附、細(xì)胞外基質(zhì)組織、樹突形態(tài)發(fā)生、神經(jīng)元投射發(fā)育的調(diào)節(jié)、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和細(xì)胞遷移。在人類和小鼠的小膠質(zhì)細(xì)胞中，富集基因主要與免疫反應(yīng)有關(guān)，包括抗原加工和呈遞、免疫反應(yīng)、炎癥反應(yīng)、先天免疫反應(yīng)、T細(xì)胞增殖以及參與炎癥反應(yīng)的白三烯產(chǎn)生。在人類和小鼠的少突膠質(zhì)細(xì)胞中，富集基因主要與髓鞘形成有關(guān)，包括髓鞘形成、軸突導(dǎo)向、軸突包繞、髓鞘形成的調(diào)節(jié)和軸突發(fā)生。
 

7. 人類脊髓膠質(zhì)細(xì)胞基因表達(dá)的性別差異
通過對男性和女性人類不同脊髓膠質(zhì)亞群中的基因表達(dá)模式進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)FC（倍數(shù)變化）≥1.33且調(diào)整后的P值<0.05時(shí)，將基因分類為差異表達(dá)。值得注意的是，星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞中基因表達(dá)的最大差異與參與X染色體失活的性別特異性基因（如XIST）和Y染色體基因（包括UTY、USP9Y、TTTY14和NLGN4Y）有關(guān)，這為我們結(jié)果的可靠性提供了有力支持。

在人類脊髓的所有星形膠質(zhì)細(xì)胞群中，與女性相比，男性NEAT1和CHI3L1的表達(dá)水平較高，而CST3的表達(dá)水平較低。值得注意的是，與女性相比，男性在星形膠質(zhì)細(xì)胞C5中的NEAT1和在C2及C5中的CHI3L1表達(dá)水平也較低。在星形膠質(zhì)細(xì)胞C1中，與女性相比，男性MT3的表達(dá)水平較高，而NEAT1、EGLN3和CHI3L1的表達(dá)水平較低。在星形膠質(zhì)細(xì)胞C4中，與女性相比，男性SLC14A1、TRPM3和CACNB2的表達(dá)水平較高，而SLC38A1、Dpysl3和NEAT1的表達(dá)水平較低。

在人類脊髓的所有小膠質(zhì)細(xì)胞群中，所有差異表達(dá)基因（DEGs）均位于X染色體和Y染色體上。在小膠質(zhì)細(xì)胞C1中，與女性相比，男性ROR2的表達(dá)水平較低。在小膠質(zhì)細(xì)胞C6中，與女性相比，男性MT-ATP6的表達(dá)水平較高，而CHI3L1的表達(dá)水平較低。

在人類脊髓的所有少突膠質(zhì)細(xì)胞群中，與男性相比，女性MT-ND4、MT2A、MT-ATP6、MT-CO3、MT-ND2、MT-ND3和MT-CO2的表達(dá)水平較高。在少突膠質(zhì)細(xì)胞C4中，與男性相比，女性PLP1和HMGB1的表達(dá)水平較高，而SIAH1的表達(dá)水平較低。在少突膠質(zhì)細(xì)胞C6中，女性MOBP的表達(dá)水平高于男性。
 

研究總結(jié)
本研究利用（snRNA-seq）和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)，繪制了人類脊髓中星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞及分子異質(zhì)性圖譜。結(jié)果顯示，星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞各自被分為6個(gè)不同的轉(zhuǎn)錄組亞群，揭示了人類和小鼠脊髓神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞類型中存在顯著的物種間異質(zhì)性。此外，研究還檢測到人類脊髓神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中的性別特異性基因表達(dá)差異。這些發(fā)現(xiàn)為脊髓相關(guān)疾病的研究提供了重要資源。

參考文獻(xiàn)：
https://doi.org/10.7554/eLife.92046