神经元激活的单细胞多组学研究揭示了脑部疾病的情境特异性遗传机制

《SCIENCE》：Single-cell multiomics of neuron activation reveals context-specific genetics of brain disorders

　　

编辑总结

尽管有越来越多的研究探讨遗传因素和转录组变化与精神心理疾病（如精神分裂症）之间的关联，但这些疾病的潜在生物学机制仍不甚清楚。造成这一困境的原因之一可能是，涉及人类样本的研究通常是在体外对死亡组织进行的，因此难以确定神经元在死亡前哪些基因被激活。为解决这一问题，Liang等人选择了来自有或无精神分裂症病史的人类供体的诱导多能干细胞所衍生的活神经元进行研究（详见Zeng和Roussos的观点文章）。研究者们发现了一些仅在受到刺激时才会活跃的信号通路，这些通路似乎与该疾病有关，其中还包括与胆固醇合成相关的通路，如果其生物学意义得到证实，或许可以成为治疗靶点。——Yevgeniya Nusinovich

结构化摘要

引言

全基因组关联分析已经确定了数百个与精神心理疾病（NPD）相关的风险位点，比如精神分裂症（SCZ），但大多数导致疾病的变异基因仍未知。一个主要挑战是，大多数GWAS风险变异位于非编码区域，且很可能在特定的生物学环境中起作用；因此，那些通常使用静态的死后大脑进行的研究可能会忽略这些变异的调控效应。对于NPD而言，一个特别重要的生物学环境就是神经元激活，它会导致早期反应基因（ERGs）的快速表达，随后是晚期反应基因（LRGs）的表达。然而，这些依赖于活动状态的响应的遗传调控机制，以及它们与NPD风险之间的关联，在人类神经元中很难在大规模群体层面进行研究。

研究思路

为了模拟依赖活动的调控机制，我们用膜去极化的氯化钾（KCl）来刺激由100个人类诱导多能干细胞系分化而来的兴奋性（Glut⁺）和抑制性（GABA⁺）神经元的共培养物。我们在基线状态以及经过1小时和6小时KCl刺激后，对单个细胞核进行了多组学检测，包括单核RNA测序（snRNA-seq）和可转座酶访问染色质测序（snATAC-seq）。这种方法有助于识别特定神经元亚型及特定环境下的转录组和表观基因组变化及其对应的遗传调控机制。

研究结果

我们发现了广泛的、特定于细胞类型的、由激活引发的转录组和表观基因组变化。一些ERG基因簇与胆固醇生物合成基因以及NPD的GWAS信号相关，而LRG基因簇则与轴突引导和突触形成过程有关。基因调控网络分析揭示了与自闭症谱系障碍（ASD）相关的、特定于神经元亚型且依赖于活动的转录因子，如MEF2C、TCF4和RORB，以及那些具有与ASD相关预测靶基因的转录因子。基于CRISPR的基因敲除实验进一步验证了这些预测的基因调控网络。

数量性状位点分析发现了数千个特定于神经元亚型及刺激条件的表达QTL和染色质可及性QTL，其中包括等位基因特异性的开放染色质变异。我们发现，染色质可及性QTL解释的NPD遗传度比例要高于表达QTL，约为25%（针对SCZ），而刺激条件特有的QTL在NPD GWAS风险基因的识别方面比基线QTL更具优势。将这些QTL与GWAS数据结合后，我们可以更精准地确定那些在受刺激条件下才发挥作用的、可能具有致病作用的NPD风险基因。值得注意的是，与活动状态相关的信号显示，胆固醇和脂质代谢基因也起着重要作用，例如肉碱棕榈酰转移酶1C（CPT1C）。此外，来自精神分裂症患者的神经元在激活后会上调胆固醇合成，这进一步表明NPD患者存在胆固醇和脂质代谢紊乱的问题。

结论

这项大规模的、针对特定环境下的单个神经元多组学研究表明，神经元激活能够揭示许多在静息状态或死后大脑中无法观察到的NPD风险变异基因的功能效应。同时，它也表明，依赖活动的生理过程——尤其是胆固醇代谢——在NPD的发病机制中起着重要作用。

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人类诱导多能干细胞衍生的神经元模型中神经元激活的单核多组学图像。

(左) KCl刺激会激活来自100个供体系的兴奋性（Glut⁺）和抑制性（GABA⁺）神经元。 (中) snRNA-seq（基因表达数据）和snATAC-seq（染色质可及性数据）的均匀流形近似与投影结果。 (右) 刺激条件特异性的eQTL和caQTL的定位，以及与疾病相关的特定基因调控网络和风险变异基因的识别。Ex：兴奋性神经元；I：抑制性神经元；GEX：基因表达检测；A/G：携带A等位基因和G等位基因的杂合子变异。[该图由BioRender.com生成]

摘要

目前，大多数导致精神心理疾病（NPD）的变异基因仍然未知。一个主要的障碍是，这些疾病相关变异可能在特定的环境下起作用，比如神经元激活期间，而这种环境在体内的大规模群体研究中很难模拟。我们对100个供体的人类诱导多能干细胞衍生的神经元在激活状态下的单个细胞核进行了多组学分析，从而揭示了与NPD相关的神经元激活时的转录组和表观基因组特征。我们发现了大量与依赖活动的基因表达和染色质可及性相关的遗传变异，其中后者对NPD的遗传度贡献更大。将多组学数据与全基因组关联分析相结合后，我们进一步发现了那些只有在受到刺激时才会表现出作用的NPD风险变异基因，比如与依赖活动的胆固醇代谢相关的基因。我们的研究凸显出细胞刺激技术在揭示特定环境下的“隐藏”遗传效应方面的巨大作用。