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Science重磅发布基于单细胞测序开展自闭症患者脑细胞研究的最新成果!

自闭症是一种由于神经系统失调导致的发育障碍。此前,美国疾病控制和预防中心已经将自闭症的发病率从1/68提升到了1/59,中国尚没有全国的统计数据,但有专家预计并不会低于1%。虽然有大量的转录组研究显示自闭症的病理性分子通路存在共同性,但有关其特定细胞类型的基因表达变化尚不清晰。

近日,由美国、英国和德国科学家组成的一个研究团队发表了自闭症研究的最新成果。该研究团队对来自自闭症患者和健康人群的104,599个脑细胞核RNA进行了测序,发现了该疾病中发生失调的基因类型以及皮层神经元和小胶质细胞的基因表达变化,并指出了常见的受影响的分子通路,包括突触功能等,有助于将自闭症未来的研究重点缩小到最可能的分子途径和细胞水平。5月17日,该研究成果发表在《科学》上。

由于人们此前所做的是大量的基因表达研究,并没有直接的方法检测分析自闭症特定细胞类型。利用新开发的单细胞RNA测序技术,该研究团队检测了15个ASD患者大脑皮质的50,000多个单细胞核中的基因表达以及16个健康对照者大脑中的50,000多个单细胞核。该测序技术可将单个细胞核自动分离成液滴,经过添加RNA条形码和测序之后,检测数据可根据条形码自动分配给单细胞,进而通过关键标记基因的表达来确定细胞类型。利用该技术检测,研究团队分析了自闭症患者和健康对照之间基因表达显著不同的细胞类型。

此前,科学家对自闭症样本的基因表达分析强调的是共同基因和分子途径,这有可能忽略了该疾病的临床和遗传异质性。为了缩小对发生基因表达改变的特定脑细胞类型的研究范围,包括临床特征不同的自闭症病例,研究人员使用单细胞核RNA测序和10x基因组学平台。根据转录组特征对细胞核进行聚类,研究人员在脑细胞样本中发现了17种细胞类型,包括兴奋性神经元、小胶质细胞和星形胶质细胞,并分析了大量RNA测序数据。

图:自闭症中特定细胞类型的基因表达差异。

当研究团队聚焦于自闭症特异性细胞类型和特征时,发现了神经元突触信号差异以及小胶质细胞基因表达差异。研究结果显示,在自闭症患者的脑细胞样本中,皮层上层神经元表现出更多的基因表达失调,其中参与突触功能和转录的基因受影响更大。同时,具有免疫功能的小胶质细胞也表现出明显的基因异常,其中小胶质细胞激活基因和发育转录因子基因受影响最大。表明皮层上层神经元和小胶质细胞中的特定基因组与自闭症的临床严重程度相关,因此具有自闭症特异性表达变化的基因或可成为优先考虑的治疗靶点。

对于该研究,来自自闭症研究领域的专家表达了各自的看法。

  • 加州大学洛杉矶分校的Daniel Geschwind表示:“该研究使用了最新的单细胞测序技术研究自闭症患者的脑细胞,能够验证并扩展此前的相关研究结果,使其达到以前无法达到的分辨率水平。”
  • 加利福尼亚大学旧金山分校的遗传学家Stephan Sanders认为:“这是一项必须进行的研究,在组织层面,该研究广泛验证了自闭症此前的研究数据,并第一次发现了哪些细胞类型与该病症有关。”
  • 斯坦福大学医学院的Dennis Wall表示:“这是一个令人兴奋的进步,也是合理和重要的工作,该研究非常详细的描述了自闭症患者脑细胞中受影响的分子途径,有助于突破自闭症研究的一些难题。”
  • 纽约西奈山伊坎医学院的Joseph Buxbaum在对该研究表示称赞的同时,也对该研究的样本量感到担忧。虽然研究分析了自闭症患者的50,000多个细胞核,但这些仅来自15名患者。他强调,这也反映了自闭症研究领域一个非常大的局限性和问题,那就是脑部样本非常有限。

对此,研究人员表示:“在更大的数据集中验证该研究结果是非常重要的。将大量基因表达数据与此前的研究数据进行比较,可以发现大量与自闭症相关的转录变化。这是一个非常令人鼓舞的发现。”同时,研究团队表示,未来将进行更多患者队列的研究,并利用括全外显子测序和改进的单细胞测序技术,以更精确地识别自闭症相关的分子变化及其与有害基因变异的关系。

参考资料:

1.D. Velmeshev et al., “Single-cell genomics identifies cell type–specific molecular changes in autism.” Science, 364:685–89, 2019.

2.Autism Study Reveals Gene Expression Changes in Specific Brain Cell Types

3.Neural Cell Types Tied to Autism Identified in Single-Cell Study

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本文由 测序中国 作者:白云 发表,转载请注明来源!

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