《SCIENCE ADVANCES》：Common transcriptional changes in the brain during hibernation and Alzheimer’s disease
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冬眠（hibernation）需要大脑的快速适应，涉及在蛰伏（torpor）期间代谢率降低的周期，随后是短暂的觉醒（arousal）期。既往研究表明冬眠诱导Tau过度磷酸化（Tau hyperphosphorylation）的急剧增加，但其与疾病的机制联系尚不
冬眠（hibernation）需要大脑的快速适应，涉及在蛰伏（torpor）期间代谢率降低的周期，随后是短暂的觉醒（arousal）期。既往研究表明冬眠诱导Tau过度磷酸化（Tau hyperphosphorylation）的急剧增加，但其与疾病的机制联系尚不清楚。研究人员对金仓鼠（golden hamster）海马进行了单核RNA测序（single-nucleus RNA sequencing），揭示了冬眠周期中所有细胞类型尤其是胶质细胞（glia）的大规模转录组转变。线粒体（mitochondrial）和核糖体（ribosomal）基因的共同转录变化在所有不同细胞类型中均被观察到。此外，冬眠在微胶质细胞（microglia）中触发了一种炎症样反应（inflammatory-like response），该反应部分类似于在阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）中观察到的细胞状态，但此处不存在Aβ沉积（Aβ-accumulation）和神经退行性变（neurodegeneration）。这些发现揭示了可能有助于在极端条件下维持生命功能的大脑转化，并提示AD中的早期细胞变化可能是一种自然的适应过程。
研究背景：冬眠是多种动物（包括某些灵长类）在恶劣外界条件下显著降低身体功能以长期保存能量的能力。冬眠动物系统发育起源分散，提示冬眠机制存在共享的进化保守遗传基础，并引发一个设想：此类遗传基础可能以潜伏形式存在于非冬眠物种包括人类中。冬眠的特征是蛰伏与觉醒两 phase 的振荡：蛰伏期表现为不动、体温降低、心率、呼吸和代谢率下降；觉醒期动物恢复生理功能。蛰伏与觉醒之间的循环转换需要在分子、细胞和组织水平上快速适应。此前组织学和生物化学研究已部分揭示这些适应，且发现受控的可逆代谢和结构改变，使研究人员认为冬眠相关变化至少部分由差异基因表达调控。然而，细胞特异性转录变化分析受测序分辨率、灵敏度和通量限制。在脑内，冬眠诱导Tau过度磷酸化，尤其在海马。冬眠中观察到的若干Tau磷酸化位点与多种痴呆尤其是阿尔茨海默病（AD）的发展密切相关。值得注意的是，在疾病中Tau磷酸化持续进展导致认知下降和神经退行性变，而在冬眠中这是快速可逆且不引起任何脑损伤的生理过程。研究人员假设冬眠和AD在脑内诱导相似以及独特的分子和细胞机制。
研究开展与结论：研究人员对金仓鼠整个冬眠周期的海马进行单核RNA测序，揭示所有细胞类型尤其胶质细胞中冬眠诱导的大规模转录变化，定义了冬眠微胶质细胞状态，并发现其与AD患者中先前识别的某些炎症状态高度相似，提示这些状态代表一种保守的保护性应激反应。研究的重要意义在于：揭示有助于极端条件下维持生命功能的大脑转化，并提示AD中的早期细胞变化可能是一种自然适应过程，为区分适应性、可逆、潜在保护性炎症状态与进行性神经退行性变相关状态提供了独特生理模型。论文发表在《SCIENCE ADVANCES》。
关键技术方法：研究人员将三月龄雄性金仓鼠置于人工冬眠箱，经两周将温度从21°C逐步降至4°C并将光照逐步减至完全黑暗，通过运动探测器判定蛰伏与觉醒期；在蛰伏、觉醒及常温对照三个时间点取海马，制备单核悬液，采用10X Genomics单核RNA测序（约100,000个细胞核，三次独立重复）；使用Cellranger比对更新后的Mesocricetus auratus基因组，Scanpy与Harmony进行质控、批次校正和聚类；以DESeq2进行细胞类型伪批量差异表达分析，SCENIC分析转录调控网络，Milo与scCODA进行组成差异分析，SAMap进行跨物种细胞类型比对，并用免疫荧光、RNAscope原位杂交和Western blot验证关键发现。样本队列来源为Janvier labs订购的金仓鼠。
研究结果：（1）金仓鼠海马单细胞图谱：通过10X Genomics单核RNA测序和基于标志基因的自动与手动注释，鉴定出34个细胞类型簇，包括神经元（Rbfox3标记）和非神经元细胞（Tcf7l2标记），并识别出少突胶质细胞（Plp1）、星形胶质细胞（Aqp4）和微胶质细胞（Cx3cr1）三大胶质簇，以及罕见的无角CA3锥体神经元和Glp1r表达神经元；通过层次分类、与小鼠和人海马簇比较及未校正数据验证了聚类的可靠性。（2）冬眠周期中海马的转录变化：通过主成分分析和Milo邻域差异丰度检验发现，神经元在蛰伏期转录组剧烈改变并在觉醒期回到接近对照的状态，而胶质细胞在觉醒期未回到对照样状态而是获得与蛰伏更接近的新转录特征；微胶质细胞和星形胶质细胞在全周期中转录变化最大。DESeq2鉴定出数千差异表达基因，蛰伏相关差异基因共同富集于线粒体、核糖体、细胞器膜、髓鞘和突触囊泡等细胞组分以及线粒体组织与运输、细胞呼吸和胞质翻译等生物学过程；线粒体复合物I亚基和核糖体基因在蛰伏期上调，Western blot验证核糖体蛋白水平同步升高，提示为觉醒期快速翻译做准备。神经元中Rab3a等小GTP酶、Hsp90ab1等 chaperone 和stathmin家族上调。觉醒期不同细胞上调不同基因，Lin54在神经元和胶质中均上调，Fos仅在胶质中上调。SCENIC分析显示JunD和Atf4调控子在蛰伏期强烈激活并在觉醒期回到对照水平。（3）星形胶质细胞的冬眠诱导变化：通过单核转录组、免疫荧光和长时间点分析发现，星形胶质细胞在蛰伏期与对照明显分离，觉醒期居中；差异基因涉及免疫反应、细胞外基质重塑、离子转运和昼夜节律；c-Fos与Gfap共标显示觉醒期激活星形胶质细胞比例显著增加；Gfap阳性星形胶质细胞在海马内的空间分布随冬眠状态改变，且觉醒24小时后尚未恢复、冬眠后一周完全恢复，提示星形胶质细胞在觉醒期维持短暂激活状态。（4）冬眠、AD、衰老和脑损伤中的微胶质细胞状态：通过无监督亚聚类鉴定出Micro-C、Micro-T、Micro-A和Micro-D四个亚群，Micro-D主要来自觉醒动物；Micro-A上调细胞周期、促炎基因和细胞因子，Micro-C高表达稳态基因，Micro-T表达核糖体和铁储存基因；RNAscope验证了三个微胶质细胞群。形态学上蛰伏期微胶质细胞突起变短变细，脂滴标记显示蛰伏期含脂滴微胶质细胞显著增多并在觉醒期部分逆转。通过SAMap比对和Spearman秩相关分析，Micro-C匹配稳态微胶质细胞（HM/MG0），Micro-T最接近核糖体反应状态（RM）并与DAM、HLA及人MG3、MG5、MG6相关，Micro-A匹配细胞因子反应（CRM-1/2）、干扰素反应（IRM）及人MG0和MG10；这些相似性在缺乏Aβ斑块的情况下出现，而AT8阳性p-Tau在蛰伏和觉醒期海马中积累。与衰老和脑损伤模型比较未发现显著整体关联，但衰老和损伤上调的基因模块在Micro-T和Micro-A中富集。
讨论与结论：本研究呈现首个单细胞冬眠图谱，鉴定出34个细胞簇，包括与其他单细胞图谱中难以分辨的罕见神经元群体，涵盖蛰伏、觉醒和常温对照样本。冬眠诱导所有细胞类型的共同转录反应，表明冬眠 phase 转换由协调的基因表达和基因调控网络变化调控；线粒体复合物I基因在蛰伏期增加可解释该状态的代谢转变。微胶质细胞显示最显著的转录变化，冬眠触发炎症样状态，与AD患者和动物模型中某些神经炎症状态高度相似，但不引起持久脑损伤；冬眠微胶质细胞激活镜像AD相关的核糖体和早期促炎状态，提示这些状态可能是对不同类型应激的保守保护性可逆反应，而晚期AD典型的神经炎症状态在冬眠中未观察到，提示其可能与不可逆损伤反应相关。冬眠诱导的微胶质细胞状态与脂滴积累相关，后者与衰老和AD进展强烈相关但此前未与特定微胶质细胞激活状态关联。衰老和脑损伤中上调的若干标志物在冬眠和AD微胶质细胞状态中同样上调，提示其为跨物种保守的共同适应性微胶质细胞反应。神经炎症是异质性反应，难以区分病理过程与内源性保护机制，既往抑制神经炎症的策略在AD中未能延缓认知下降；本研究结果提示冬眠可作为独特生理模型，研究适应性、可逆和潜在保护性炎症状态与进行性神经退行性变相关状态之间的差异，通过系统定义冬眠周期中共有和细胞类型特异性转录反应，将生理性神经炎症机制与疾病病理驱动的机制区分开，为解释疾病中的神经炎症特征提供必要参照，并可能帮助识别应被增强或抑制以预防或逆转疾病进展的反应。研究结论翻译：这些发现揭示了可能有助于在极端条件下维持生命功能的大脑转化，并提示AD中的早期细胞变化可能是一种自然适应过程。
