单核与空间转录组解析人颞叶皮层及白质在阿尔茨海默病中的细胞特异性病理关联

《Nature Communications》：Single-nucleus and spatial transcriptomic profiling of human temporal cortex and white matter reveals key associations with AD pathology

本研究针对阿尔茨海默病（AD）病理机制中细胞异质性及空间分布不明确的问题，通过单核RNA测序（snRNA-seq）和多重原位测序（CARTANA）技术，对40例人颞叶皮层灰质与白质样本进行多组学分析。研究发现不同神经元与胶质细胞亚群在Braak分期中呈现特异性比例变化，并识别出靠近Aβ斑块和神经原纤维缠结的基因空间表达模式。该研究揭示了AD病理进展中细胞类型特异性和组织区域特异性的转录调控规律，为靶向治疗提供了新线索。

　　

随着全球老龄化进程加速，阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD）已成为威胁老年人健康的重大神经退行性疾病。其两大典型病理特征——β淀粉样蛋白（Aβ）斑块的沉积和tau蛋白形成的神经原纤维缠结（Neurofibrillary Tangles, NFT）——在大脑中的积累和扩散与认知功能下降密切相关。尽管过去十年间，基于转录组和表观基因组的研究揭示了AD脑组织中神经元功能相关基因的下调及天然免疫相关基因的上调，但细胞类型的特异性响应及其在组织空间微环境中的变化规律仍不清楚。尤其值得注意的是，以往研究多聚焦于灰质（Gray Matter, GM），而对白质（White Matter, WM）在AD中的角色关注不足。此外，基因表达与病理包涵体（如斑块和缠结）的空间邻近关系更是缺乏系统探索。这些知识空白限制了人们对AD细胞分子机制的理解，也阻碍了有效治疗策略的开发。

为了深入揭示AD在细胞水平和空间尺度上的病理变化，来自哥伦比亚大学、罗氏制药及阿姆斯特丹大学医学中心等机构的研究团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。该研究整合了单核转录组测序（snRNA-seq）和原位测序技术，对40例人脑颞叶皮层样本的灰质和白质进行了系统分析，不仅构建了细胞图谱，还揭示了不同Braak分期下细胞亚群的比例变化以及基因表达的空间规律。

研究人员首先对40例个体（包括健康对照和不同AD病理严重程度的患者）的颞叶皮层样本进行了单核RNA测序，共获得430,271个高质量细胞核的转录组数据。通过聚类分析，鉴定出8种主要细胞类型：谷氨酸能神经元（Glutamatergic Neurons）、GABA能神经元（GABAergic Neurons）、小胶质细胞（Microglia）、星形胶质细胞（Astrocytes）、少突胶质细胞（Oligodendrocytes）、少突胶质前体细胞（OPCs）、内皮细胞（Endothelial Cells）和周细胞（Pericytes）。进一步亚群分析识别出20个谷氨酸能神经元亚群、22个GABA能神经元亚群，以及胶质细胞各谱系内的多个亚群。为了验证单核数据的关键发现并探索空间表达模式，研究还利用CARTANA平台对13例样本进行155个基因的多重原位杂交（ISH），并结合Aβ和tau蛋白的免疫组化染色，实现了RNA与病理包涵体的共定位。

研究的关键发现主要集中在以下几个方面：

神经元与胶质细胞亚群在晚期Braak分期中的比例变化

在灰质中，多个神经元亚群在Braak晚期（5-6期）比例显著降低，包括表达RORB、IL1RAPL2、SPARCL1、COL5A2和GLIS3的谷氨酸能神经元亚群，以及表达PVALB和SPARCL1的GABA能神经元。与之相反，表达THEMIS和POSTN的深层谷氨酸能神经元亚群在晚期Braak分期中比例上升，提示其可能具有病理耐受性。在胶质细胞中，表达热休克蛋白的OPCs、表达TNC的星形胶质细胞和表达MGP的周细胞在晚期AD样本中比例增加，而表达RPL19的小胶质细胞比例下降。这些变化在多个脑区（如内嗅皮层、前额叶皮层）的数据集中得到验证，表明其跨区域一致性。

白质中细胞亚群的独特变化

尽管白质中神经元稀少，研究仍检测到GABA能神经元亚群（如PVALB+/TMEM132C+和LAMP5+/CHST9+）在Braak晚期比例下降。有趣的是，表达RORB+/IL1RAPL2+的谷氨酸能神经元在白质中于Braak中期（2-4期）比例上升，与灰质中的变化趋势相反，表明白质与灰质中的细胞响应可能存在本质差异。

差异表达基因识别细胞类型特异性调控

通过假体化（pseudobulk）分析，研究发现Braak晚期有1230个基因表达发生显著变化，其中90%具有细胞类型特异性。例如，谷氨酸能神经元中NPTX2表达下调，星形胶质细胞中FOXJ1上调，少突胶质细胞中RELN上调。通路富集分析显示，差异基因参与淀粉样纤维形成负调控、磷脂结合、脂质应答等AD相关生物学过程。值得注意的是，内皮细胞中APOE的表达在灰质与白质间存在显著差异，提示血管相关响应具有区域特异性。

空间转录组验证并发现病理微环境基因表达变化

通过原位测序与病理染色结合，研究不仅验证了单核数据中关键细胞亚群的比例变化（如THEMIS+/POSTN+神经元的富集、PVALB+神经元的耗竭），还发现了靠近Aβ斑块和tau缠结的基因表达空间梯度。例如，靠近斑块的谷氨酸能神经元中神经丝基因（NEFL、NEFM）表达升高，而GABA能神经元中RELN表达在斑块远处升高。小胶质细胞中CD68在斑块中等距离处表达最高，星形胶质细胞中GFAP在斑块远处区域表达上调。这些发现揭示了病理微环境中细胞分子响应的空间异质性。

本研究通过多组学整合分析，系统描绘了AD颞叶皮层在细胞分辩率和空间尺度上的转录组变化，不仅验证了既往研究中报道的易感神经元类型（如PVALB+中间神经元），还发现了新的潜在耐受细胞群（如THEMIS+/POSTN+神经元）。研究强调了对白质及灰质进行并行分析的重要性，并首次在原位水平揭示了AD病理微环境中基因表达的空间规律。这些成果为理解AD细胞特异性病理机制提供了重要资源，也为开发靶向特定细胞类型或微环境的治疗策略奠定了基础。