UCSF：单核测序方法精确捕获潜在“致病”的人类大脑细胞类型

人类大脑研究将基因活性与疾病的严重程度联系起来，为未来的治疗指明了目标。

　　

图片|Credit: Feng Yu / Adobe Stock

根据加州大学旧金山分校（UCSF）对人死后脑组织的研究，发现特定脑细胞中基因活性的变化与自闭症患儿的严重程度有关。作者认为，通过了解细胞基因表达的具体变化对疾病的症状的贡献，改变大脑回路的功能，为治疗提供了重要基础。

近年来，科学家们已经了解到自闭症谱系障碍（ASDs）通常是由发育中的大脑自我连接的遗传指令变化引起的，始于怀孕中期，一直持续到幼儿时期。对自闭症患者来说，这些错乱的指令所产生的成熟大脑回路是如何不同的，或者这些变化是如何导致社交沟通困难、受限的重复性行为以及定义这种紊乱的其他症状，目前还不太清楚。新研究的作者说，这是目前没有药物能逆转或治疗这些症状的原因之一。

“确定在怀孕或子宫内发生的基因变化对了解自闭症的原因很重要，但这些见解不太可能产生有用的治疗目标，”通讯作者，UCSF Weill神经科学研究所成员，神经学教授Arnold Kriegstein博士说。”当孩子们被诊断为自闭症时，所有出错的事情都已经发生了，患者的功能紊乱回路已经成熟了。如果我们想在这些孩子引起我们注意前为他们提供治疗，我们必须首先解决大脑回路的改变。”

在这项发表在2019年5月17日《Science》杂志上的新研究中，Kriegstein实验室的博士后学者Dmitry Velmeshev博士带领的研究人员通过使用新技术来寻找基因活性的差异，从而了解自闭症患者的大脑在神经回路水平上与非自闭症患者的特定类型脑细胞有何不同。

通过对RNA分子进行测序来研究基因表达中的单细胞差异——揭示哪些基因在特定细胞中被激活——近年来一直是生物学的前沿，但在成人大脑组织中却很难应用，因为从精心缠绕的大脑回路中挑出单个细胞有点像玩果冻版的Jenga（一种益智游戏，玩家轮流从高塔里抽走木块）。

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Velmeshev和他的同事们用新版本技术从从脑组织样本中分离的细胞核中提取RNA，然后根据基因表达的模式特征识别出遗传物质来源的细胞类型。这使得研究人员成功地在自闭症患者的大脑中寻找特定细胞类型和回路组分的生物学差异。

研究人员应用这个单核测序方法（single-nuclei sequencing），快速捕捉并筛选NIH神经生物库（NeuroBioBank）和马里兰大学医学院（Brain and Tissue Bank）提供的冰冻的尸检样本的前额皮质和前扣带回皮质（在先前的研究中，自闭症患者的这两个大脑区域表现出不同的行为）他们比较了15名死于4到22岁之间的自闭症患者的大脑样本和16名死于同一年龄段非神经原因的患者的大脑样本。由于许多自闭症患者也患有癫痫，研究人员还检查了癫痫患者的大脑样本，以区分更可能由癫痫引起的大脑变化，而不是自闭症本身。

基于这些大脑样本中超过100,000个细胞核的分析发现，自闭症患者的大脑中包含了一组共同的基因变化，这些基因与神经元之间的突触通讯有关。这些变化是在负责局部信息处理的新皮质（neocortex）最上层的细胞中发现的。他们还发现了非神经元脑细胞（胶质细胞，glia）的变化，这种变化可能会影响它们在修剪和维持健康神经回路中的作用。

研究人员发现，在自闭症患者的大脑中，许多差异表达的基因在整个大脑中广泛表达，但只有在特定细胞类型中，这些基因对疾病才表现出明显的变化影响。值得注意的是，这些特定细胞群中基因表达的变化程度与患者行为症状的严重程度密切相关。

长期以来，研究人员一直担心，一种症状和遗传原因如此多样的疾病，如自闭症，在神经系统层面上是如此多变，以至于每个人必须需要一种独特的治疗方式。事实上，研究人员在不同年龄和遗传背景的不同患者中识别出一组常见的回路变化，这给人们带来了一个新的希望，即有朝一日将会有一种对许多患有这种疾病的人的共同治疗策略。

“看到所有这些患者的特定细胞类型的明显汇聚非常令人兴奋，”Velmeshev说。“这就为将来某一时刻的到来提供了一丝希望，一种治疗方法适用于许许多多不同的疾病患者。”

另一方面，Velmeshev和Kriegstein指出，这些常见的基因变化对大脑中的某些细胞类型具有高度特异性，这一发现提出了一个重大挑战，因为任何治疗都必须精确地靶向这些受影响的细胞类型。

为了更好地理解他们在本研究中发现的特定细胞变化如何影响自闭症患者神经回路的功能，研究人员计划在3D“类器官（organoid）”大脑发育模型中重建这些变化，这些模型可以在实验室中由患者的皮肤细胞中长出来。

Velmeshev时候：“重要的是记住，我们正在研究早期大脑发育过程中发生变化的下游效应，因此我们看到的变化可能是自闭症症状的实际原因以及这些神经元试图补偿以维持正常活动的方式的混合。准确地找出这些变化中的哪一个是治疗的最佳潜在目标，这是新数据为未来研究开放的众多问题之一。”

论文的其他作者包括加州大学旧金山分校的Lucas Schirmer、Diane Jung、Yonatan Perez、Simone Mayer和Aparna Bhaduri；加州大学旧金山分校和加州大学伯克利分校的Nitasha Goyal；加州大学旧金山分校和威康基金会-MRC剑桥干细胞研究所的David H.Rowitch；加州大学圣克鲁斯分校的Maximilian Haeusler。

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原文检索：Single-cell genomics identifies cell type–specific molecular changes in autism. Science, 2019; 364 (6441): 685-689 DOI: 10.1126/science.aav8130

（生物通：伍松）