项目文章丨利用单细胞转录组测序等揭示伴有自杀行为的抑郁症的潜在治疗新靶点
2023年1月11日，南京医科大学药学院刘妍教授课题组和基础医学院郭兴教授课题组合作在 EMBO Molecular Medicine（IF：14.260）杂志上发表题为“Depressive patient-derived GABA interneurons reveal abnormal neural activity associated with HTR2C”封面论文。
研究报道了伴有自杀行为的重性抑郁症（sMDD）患者来源的 GABA 能中间神经元（GINs）和腹侧前脑类器官存在神经元形态学丰富度、电生理活性异常以及钙活性降低的表型，而通过干预 HTR2C 的表达可挽救其异常的神经活性。该发现为 sMDD 的机制研究以及药物筛选提供了一个动态的、方便进行基因调控的人源性细胞模型，揭示了 sMDD 病人在细胞层面的异常病理表型，并为将来的靶点药物开发和诊断治疗提供了依据。
本研究中 Chromium 单细胞转录组测序由博奥晶典提供。
【发表期刊】EMBO Molecular Medicine
【影响因子】14.260
【发表时间】2023年1月11日
【发表单位】南京医科大学
研究背景
伴有自杀行为的重度抑郁症（sMDD）是一种严重的情绪障碍，但由于缺少动态人源性模型，所以 sMDD 产生机制鲜有报道。而利用携带患者遗传信息的诱导多能干细胞（iPSCs）分化的神经元和类器官进行研究，可能会为揭示 sMDD 的发病机制及药物研发带来新的希望。
研究路线
主要结果
1. sMDD 衍生的 GINs 显示出异常的病理表型
研究人员选择 5 名自杀未遂的 sMDD 患者（sMDD 组）和 5 名健康对照（CTRL 组）的外周血细胞重新编程为 iPSCs，并分化为 GABA 能中间神经元（GINs）。分析两组 GINs，结果发现 sMDD 来源的 GINs 的神经元形态和 GINs 亚型均表现异常，而且表现出异常过度兴奋的电生理信号及异常低的钙信号。
2. sMDD 衍生的 GIN 中 HTR2C 的表达降低
单细胞转录组测序结果发现了 5 种主要细胞类型，包括循环细胞（CyC）、神经干细胞、腹侧神经祖细胞（vNPC）、早期中间神经元（eIN）和成熟中间神经元（mIN）。接下来对 CTRL 和 sMDD 样本进行差异表达分析。sMDD 组中差异表达的基因与 MDD 的相关性最大。GSEA 揭示了 sMDD GIN 簇中改变的生物过程和分子功能。GABA 能神经元分化和钾通道活性项上调，而高电压门控钙通道活性项下调，表明 sMDD GINs 中钙通道功能发生改变。Bulk RNA-seq 结果显示两组之间有 244 个 DEG，对 DEG 进行功能富集分析发现 HTR2C 包含在许多途径中。通过组合 DrugBank 中的 DEG 及其靶药物以形成基因-药物网络，并根据其与药物诱导表达的接近程度对药物的潜在靶点进行排序，发现 HTR2C 是 DEG 中最丰富的基因。
3. HTR2C 过表达可部分逆转 sMDD GINs 的缺陷
为了进一步确认 HTR2C 在介导 sMDD 缺钙中的作用，并评估其表型是否具有重复性，将 shRNA 或 OE 慢病毒感染到对照组腹前脑类器官中，然后将其消化成单个细胞进行粘附培养，并对贴壁神经元进行了成像分析。观察了 GFP+ 神经元上的钙信号，并使用 KCl 进行去极化刺激。结果表明，KD 病毒组神经元的钙信号显著低于载体病毒组，表明 CTRL 组 HTR2C 的下调显示出与钙信号降低相关的 sMDD 病理表型。而 OE 组缺陷的功能被显著逆转，提示 HTR2C 过表达可部分逆转 sMDD GINs 的缺陷。
4.sMDD 相关的神经缺陷可以通过 5-HT2CR 激动剂 Trzd 的过度表达来修复
接下来科研人员选择 3 种 FDA 批准的 5-HT2CR 激动剂：PNU、Ro 和 Trzd 来测试它们对 sMDD GIN 中钙信号和电生理的影响。结果显示 10 μM Trzd 可显著增加钙信号峰值。因此，研究人员选择了它进行进一步验证，结果显示 10 μM Trzd 治疗可以逆转 sMDD GINs 和腹侧前脑类器官中的异常钙信号传导和过度活动。并对 Tred 治疗后的 GINs 进行单细胞转录组测序，证实 Trez 治疗部分逆转了 sMDD GINs 的缺陷。
全文结论及研究意义
01
sMDD 衍生的 GABA 能中间神经元（GINs）显示出改变的神经元形态和异常的 GIN 亚型；
02
sMDD 衍生的 GINs 表现出异常的电生理超兴奋性和降低的钙信号；
03
单细胞转录组及 bulk 转录组测序结果显示在 sMDD 衍生的 GIN 中 HTR2C 的表达降低；
04
sMDD 相关的神经缺陷可以通过 HTR2C 和 5-HT2CR 激动剂 Trzd 的过度表达来修复。
研究结论
总之该研究为 sMDD 的机制研究以及药物筛选提供了一个动态的、方便进行基因调控的人源性细胞模型，揭示了 sMDD 病人在细胞层面的异常病理表型，并提示 5-HT2C 可能是重度抑郁症的潜在药物靶点。
参考文献
Lu K, Hong Y, Tao M, Shen L, Zheng Z, Fang K, Yuan F, Xu M, Wang C, Zhu D, Guo X, Liu Y. Depressive patient-derived GABA interneurons reveal abnormal neural activity associated with HTR2C. EMBO Mol Med. 2023 Jan 11;15(1):e16364.
