学术动态 | 空间转录组学在人类疾病临床研究中的应用案例（上）
空间转录组学（ST）和单细胞RNA测序（scRNA-seq）的结合是连接人类组织病理表型和分子改变的关键组成部分，定义了原位细胞间分子通讯和时空分子医学知识。ST在人类疾病中的潜在应用是临床和转化医学的重要问题之一，包括神经学、胚胎发育、肿瘤学和炎症学。因此，明确的临床目标、设计、采样程序和方案的优化、ST的可重复性以及分析和解释的简化是将ST转换到临床的关键。
本期推送为大家带来2篇空间转录组学在神经学中的应用案例。
神经系统的空间转录组学为理解单个神经元的类型、位置、树突结构、轴突投射和相应功能提供了新的见解。
案例一
使用Fiji “Analyze particles”插件和ST pipeline（一种用于独特转录本空间映射的自动化管道）进行数据处理，使用分层随机抽样ST测量小鼠脊髓和ALS患者的死后组织的基因表达，区分早期小胶质细胞和星形胶质细胞之间的区域差异，并确定ALS模型和患者脊髓病理学之间转录途径的干扰。在ALS诱导后，在小鼠体内动态发现约11138个基因的空间分布，并从ALS患者的脊髓样本中进一步发现9624个基因。这项特别的研究定义了基因表达在组织中的明确定位和多维分布，并描述了退行性疾病的新机制，例如TREM2-TYROBP复合物、Apoe、Lpl、B2m和Cx3cr1在不同阶段和位置的表达。
在神经退行性疾病模型中，Trem2和Tyrobp形成受体复合物，当与膜脂或脂蛋白复合物结合时，可触发吞噬或调节细胞因子信号。在症状出现之前，腹角和白质中的酪氨酸结合蛋白表达上调，而在Trem2表达之前，酪氨酸结合蛋白表达上调。Lp1和B2m在症状出现前上调，尤其是在腹角。Apoe和Cx3cr1在症状小鼠的脊髓中上调。载脂蛋白E的表达受Trem2信号和Trem2配体的驱动。
案例二
使用ST pipeline进行数据处理，从死后脑组织的ST图谱中发现了6条疾病相关途径中的16个失调转录本。其中，代谢型谷氨酸受体3和泛素特异性蛋白酶47进一步与互补分子病理学确定为空间疾病特异性靶点。代谢型谷氨酸受体3对谷氨酸神经传递和突触可塑性的失调，泛素特异性蛋白酶47对细胞生长和基因组完整性的失调，可以作为临床治疗的新选择。
在肌萎缩侧索硬化（ALS）模型中，C9orf72重复扩增、突变SOD1和sALS中前额叶和运动皮质GRM3基因的表达较低。GRM3基因编码代谢型谷氨酸受体mGlu3，调节中枢神经系统中谷氨酸的神经传递。神经元mGlu3受体的表达主要在突触前终末。当突触外谷氨酸过度溢出时，G蛋白信号级联被激活，以调节突触前离子通道的活动，然后负调节突触前谷氨酸的释放。前额叶皮质mGlu3受体表达的减少增加谷氨酸的传递并产生兴奋性毒性的调节可能是精神分裂症和ALS的共同机制特征。
参考文献：
[1] Maniatis S, Äijö T, Vickovic S, et al. Spatiotemporal dynamics of molecular pathology in amyotrophic lateral sclerosis. Science. 2019;364(6435):89-93. doi:10.1126/science.aav9776
[2] Gregory JM, McDade K, Livesey MR, et al. Spatial transcriptomics identifies spatially dysregulated expression of GRM3 and USP47 in amyotrophic lateral sclerosis. Neuropathol Appl Neurobiol. 2020;46(5):441-457. doi:10.1111/nan.12597
