期刊：Ecotoxicology and Environmental Safety
影響因子：6.2
伯豪試劑產(chǎn)品：伯優(yōu)^®細(xì)胞核分離試劑盒

研究背景
本文的研究背景主要圍繞百草枯（PQ）暴露對(duì)帕金森�。≒D）和重度抑郁癥（MDD）共病的影響展開。百草枯是一種廣泛使用的除草劑，具有高度的環(huán)境神經(jīng)毒性，與PD和MDD的發(fā)生密切相關(guān)。由于其廣泛應(yīng)用和自然降解緩慢，百草枯在水、土壤和食物中積累，對(duì)人類健康構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)。盡管已知各種腦細(xì)胞類型在PD和MDD病因?qū)W中的作用，但PQ神經(jīng)毒性下PD和MDD共病中涉及的特定細(xì)胞亞型仍知之甚少。另外有研究表明，神經(jīng)遞質(zhì)紊亂、腦結(jié)構(gòu)損傷、代謝過程受損和神經(jīng)炎癥反應(yīng)可能促進(jìn)PD患者M(jìn)DD的發(fā)生，但具體機(jī)制尚不清楚。

伯豪產(chǎn)品
伯優(yōu)^®細(xì)胞核分離試劑盒

研究目的
本研究旨在通過單細(xì)胞RNA測(cè)序技術(shù)分析百草枯暴露下PD和MDD共病小鼠模型的腦細(xì)胞異質(zhì)性，識(shí)別與共病相關(guān)的特定細(xì)胞亞型，并探索其潛在機(jī)制，以期為PD和MDD共病的早期診斷和治療提供新的見解。

研究結(jié)果
1.腦部單細(xì)胞RNA測(cè)序揭示了PQ導(dǎo)致的與PD或MDD相關(guān)的1特定基因表達(dá)紊亂
為了研究PQ對(duì)各種類型腦細(xì)胞中與PD或MDD相關(guān)基因表達(dá)的影響，研究者對(duì)暴露于10 mg/kg PQ的小鼠大腦和接受生理鹽水對(duì)照的小鼠大腦進(jìn)行了scRNA-seq分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有樣本中有26種不同的細(xì)胞亞型。通過檢查每種細(xì)胞類型特異性標(biāo)志物的表達(dá)，這些簇被手動(dòng)分類為神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞。暴露組和對(duì)照組的小鼠均含有所有細(xì)胞類型。
 

為了在PQ暴露組和對(duì)照組之間按細(xì)胞類型檢查PD相關(guān)或MDD相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)基因，研究者使用差異表達(dá)基因分析分別從GEO來源的PD或MDD數(shù)據(jù)集中識(shí)別PD或MDD相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)基因。DEG火山圖表明識(shí)別PD或MDD相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)基因的有效性，在此基礎(chǔ)上，對(duì)每種疾病的統(tǒng)計(jì)顯著風(fēng)險(xiǎn)基因使用scRNA-seq進(jìn)行了進(jìn)一步分析。
 

同時(shí)，通過GSVA量化了PQ暴露前后每個(gè)單細(xì)胞中這些PD或MDD相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)基因的表達(dá)水平。由此識(shí)別出了不同細(xì)胞類型中疾病相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)基因表達(dá)水平的變化。結(jié)果表明，PQ暴露后，神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞中的PD相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)基因發(fā)生了顯著變化。使用GO和KEGG方法分析各種細(xì)胞類型中顯著改變的PD相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)基因顯示，PQ特別影響了神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞中的突觸傳遞調(diào)節(jié)。此外，PQ在PD進(jìn)展過程中干擾了小膠質(zhì)細(xì)胞中的免疫反應(yīng)，并改變了內(nèi)皮細(xì)胞中的能量代謝。
 

與PD相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)基因不同，MDD相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)基因在PQ暴露后，特別是在神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞中顯示出顯著變化。對(duì)每種細(xì)胞類型中顯著改變的MDD相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)基因進(jìn)行GO和KEGG分析顯示，PQ暴露特別影響了神經(jīng)元中的化學(xué)突觸功能，星形膠質(zhì)細(xì)胞中的神經(jīng)投射發(fā)育，小膠質(zhì)細(xì)胞中的免疫反應(yīng)，內(nèi)皮細(xì)胞中的血管功能，以及少突膠質(zhì)細(xì)胞中的分解代謝過程。以上發(fā)現(xiàn)表明這些細(xì)胞類型在MDD中的不同作用，與其在PQ暴露后PD發(fā)展中的作用相比。
 
總體而言，腦組織的scRNA-seq結(jié)果顯示，PQ以細(xì)胞類型特異性方式誘導(dǎo)了PD相關(guān)或MDD相關(guān)變化，表明不同的腦細(xì)胞類型在PQ暴露后的PD或MDD相關(guān)變化中可能發(fā)揮不同的作用。

2. PQ暴露后，星形膠質(zhì)細(xì)胞在共病相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)基因中表現(xiàn)出最顯著的變化水平
研究者對(duì)識(shí)別到的PD和MDD中的共同風(fēng)險(xiǎn)基因，進(jìn)行了共病相關(guān)分析�；�于RNA-seq的PD和MDD數(shù)據(jù)集，通過差異表達(dá)基因分析識(shí)別了161個(gè)PD相關(guān)和MDD相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)基因的重疊基因，并將這些基因視為共病相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)基因。GO富集表明，這些共病相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)基因主要參與與能量代謝過程、氧化應(yīng)激和突觸功能相關(guān)的生物過程和分子功能。
 

GSVA發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，PQ暴露組中星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元中共病相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)基因的表達(dá)水平發(fā)生了顯著變化。與其他細(xì)胞類型相比，星形膠質(zhì)細(xì)胞在PQ暴露后共病相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)基因的表達(dá)水平變化最為顯著。為了研究PQ暴露后星形膠質(zhì)細(xì)胞的基礎(chǔ)功能，將PQ暴露模型中星形膠質(zhì)細(xì)胞的DEG進(jìn)行KEGG和GO富集分析。KEGG富集顯示，星形膠質(zhì)細(xì)胞參與了PQ暴露后PD相關(guān)和MDD相關(guān)通路，證實(shí)了它們?cè)赑Q暴露模型中PD和MDD共病中的主導(dǎo)作用。PQ破壞了涉及多種神經(jīng)遞質(zhì)的化學(xué)突觸調(diào)節(jié)、葡萄糖脂質(zhì)代謝、能量代謝和星形膠質(zhì)細(xì)胞中的細(xì)胞反應(yīng)通路。GO富集分析進(jìn)一步證實(shí)，PQ暴露特別影響了星形膠質(zhì)細(xì)胞中的化學(xué)突觸調(diào)節(jié)和能量代謝通路。此外，它還顯示PQ改變了星形膠質(zhì)細(xì)胞中與大腦結(jié)構(gòu)發(fā)育和神經(jīng)投射形成相關(guān)的通路。

為了驗(yàn)證PQ暴露后星形膠質(zhì)細(xì)胞的變化，又對(duì)神經(jīng)膠質(zhì)纖維酸性蛋白（GFAP）進(jìn)行了免疫染色。結(jié)果可以看出，PQ暴露誘導(dǎo)了皮層、海馬、黑質(zhì)和杏仁核中GFAP強(qiáng)度的顯著增加，表明PQ暴露后星形膠質(zhì)細(xì)胞的活化。已有文章指出，過度活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞表現(xiàn)出增加的形態(tài)復(fù)雜性。因此，又進(jìn)行了Sholl分析來評(píng)估星形膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)變化。PQ暴露組的星形膠質(zhì)細(xì)胞在所有這些腦區(qū)都表現(xiàn)出明顯增加的形態(tài)復(fù)雜性，證實(shí)了PQ誘導(dǎo)了星形膠質(zhì)細(xì)胞的過度活化。
 
綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞是與PQ暴露模型中PD和MDD共病發(fā)展最相關(guān)的細(xì)胞類型，并且PQ可以誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞的活化和形態(tài)變化。

3. 特定的星形膠質(zhì)細(xì)胞亞型與PQ暴露小鼠模型中PD與MDD共病相關(guān)變化最相關(guān)
星形膠質(zhì)細(xì)胞無監(jiān)督聚類顯示，基于不同的基因表達(dá)譜有8種亞型。
 

為了闡明不同星形膠質(zhì)細(xì)胞亞型在PQ暴露后共病相關(guān)變化中的作用，研究量化了PQ暴露組和對(duì)照組中所有星形膠質(zhì)細(xì)胞亞型中共病相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)基因的表達(dá)水平。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，8種星形膠質(zhì)細(xì)胞亞型中有5種（Astro_1至5）在PQ暴露后共病相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)基因的表達(dá)水平發(fā)生了變化。其中，Astro_3在共病相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)基因的表達(dá)中表現(xiàn)出最顯著的變化，與其他亞型相比，其變化表達(dá)水平明顯更高。GO和KEGG富集分析表明，Astro_3可能參與了PQ暴露模型中與PD和MDD發(fā)病機(jī)制相關(guān)的通路，并有助于與多種化學(xué)突觸、軸突和神經(jīng)元投射調(diào)節(jié)相關(guān)的生物過程。

總體而言，這些發(fā)現(xiàn)表明，Astro_3與PQ暴露后PD和MDD共病相關(guān)變化最為密切，表明Astro_3可以被視為負(fù)責(zé)PQ暴露模型中PD和MDD共病發(fā)展的共病特異性細(xì)胞亞型。
 

4. PQ干擾了共病特異性星形膠質(zhì)細(xì)胞亞型與PD特異性DA神經(jīng)元或MDD特異性VGluT2神經(jīng)元之間的相互作用
基于scRNA-seq推斷的配體-受體信號(hào)傳導(dǎo)，研究者了潛在的細(xì)胞間相互作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Astro_3亞型與DA神經(jīng)元和VGluT2神經(jīng)元相互交互，而PQ暴露后它們的相互作用減少。這表明，PQ干擾了Astro_3與DA或VGluT2神經(jīng)元之間的神經(jīng)發(fā)生和突觸相關(guān)細(xì)胞間通訊。
 

隨后，研究又對(duì)scRNA-seq進(jìn)行了偽時(shí)序分析，以探索PQ暴露模型中異質(zhì)簇細(xì)胞分化過程中基于轉(zhuǎn)錄變化的潛在細(xì)胞間關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DA神經(jīng)元和VGluT2神經(jīng)元在PQ暴露后都向Astro_3亞型極化，表明PQ可以誘導(dǎo)PD特異性或MDD特異性亞型與共病特異性亞型之間的顯著翻譯關(guān)系。為了進(jìn)一步識(shí)別動(dòng)態(tài)表達(dá)變化的基因，又對(duì)沿軌跡的基因表達(dá)模式進(jìn)行了功能富集分析。結(jié)果顯示，從DA神經(jīng)元向Astro_3亞型翻譯過程中顯著表達(dá)變化的基因主要參與突觸功能調(diào)節(jié)、神經(jīng)遞質(zhì)動(dòng)力學(xué)、神經(jīng)退行性疾病、軸突和鈣通道的通路。類似地，從VGluT2神經(jīng)元向Astro_3亞型翻譯過程中顯著變化的基因涉及神經(jīng)元投射發(fā)育和突觸及神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)節(jié)的通路。
 

綜上所述，細(xì)胞間通訊和偽時(shí)間分析表明，Astro_3亞型、DA神經(jīng)元和VGluT2神經(jīng)元之間存在相互交互關(guān)系。兩個(gè)單病特異性亞型與共病特異性亞型之間的相互作用可以部分解釋Astro_3亞型介導(dǎo)PD和MDD共病的潛在機(jī)制。

5. RNF7和MTCH2是PQ暴露模型中PD與MDD共病的星形膠質(zhì)細(xì)胞特異性診斷標(biāo)志物
使用ROC曲線的分析結(jié)果，驗(yàn)證了每個(gè)基因在PD與MDD共病中的診斷效能，發(fā)現(xiàn)RNF7、TAC1和MTCH2具有最高的AUC，表明它們具有顯著的診斷重要性。
 

鑒于星形膠質(zhì)細(xì)胞是與PQ暴露模型中與共病相關(guān)變化最相關(guān)的細(xì)胞類型，研究又探討了這些共享中樞基因在PQ暴露后星形膠質(zhì)細(xì)胞中的變化，以識(shí)別星形膠質(zhì)細(xì)胞特異性診斷標(biāo)志物。t-SNE的結(jié)果表明，只有RNF7、SIRPA和MTCH2在星形膠質(zhì)細(xì)胞中高度表達(dá)。此外，只有RNF7和MTCH2在PQ暴露后星形膠質(zhì)細(xì)胞中顯著改變。
 

因此，研究者又在PQ暴露模型中驗(yàn)證RNF7和MTCH2的表達(dá)。我結(jié)果表明，PQ暴露后，RNF7和MTCH2在皮層、海馬、黑質(zhì)和杏仁核中的表達(dá)顯著增加。此外，RNF7和MTCH2與GFAP的共定位在PQ暴露組中所有腦區(qū)都顯著增加，表明PQ暴露后功能星形膠質(zhì)細(xì)胞中它們的表達(dá)水平增加。
 

以上結(jié)果表明，RNF7和MTCH2可能是PQ暴露模型中PD和MDD共病的重要星形膠質(zhì)細(xì)胞特異性診斷標(biāo)志物。

研究總結(jié)
本研究通過sc-RNA seq，分析了百草枯暴露下帕金森�。≒D）和重度抑郁癥（MDD）共病小鼠模型的腦細(xì)胞異質(zhì)性。同時(shí)，文章還識(shí)別了RNF7和MTCH2這兩個(gè)星形膠質(zhì)細(xì)胞特異性基因，它們?cè)诎俨菘荼┞逗蟊磉_(dá)顯著增加，可能作為PD和MDD共病的早期診斷標(biāo)志物。這項(xiàng)研究首次揭示了百草枯暴露下PD和MDD共病的細(xì)胞異質(zhì)性，強(qiáng)調(diào)了星形膠質(zhì)細(xì)胞及其亞型在共病發(fā)生中的關(guān)鍵作用，為PD和MDD共病的早期診斷和靶向治療提供了新的生物標(biāo)志物和潛在的治療靶點(diǎn)。

原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0147651324012697