了解脑部疾病，关爱人体“指挥官” | 时空简讯47期

时空简讯第47期。

大脑作为人体的“指挥官”，对人体的生理活动和心理活动起着重要的指挥作用，它的健康会直接影响人的生存质量，甚至寿命。在此，本期特选取了9篇与脑血管疾病、神经退行性疾病、脑部感染、癫痫等常见脑部疾病发病机制研究相关的优质前沿文章，展示了脑部疾病（非癌）研究中得益于时空组学、单细胞组学技术发展的关键突破成果，以期助力于开发针对性的脑部疾病诊疗策略，供了解参考。

脑血管疾病/Cerebral Vascular Disease

脑缺血后灵长类动物脑室下区神经源性生态位的转录组响应和基因表达的空间模式

Frontiers in Cell and Developmental Biology [IF：5.201]

① 联合转录组学和高通量原位杂交（ISH）技术，检测缺血后第7天和模拟手术组猕猴室管膜前下区（anterior subventricular zone，SVZa）及其亚区组织基因表达的变化，揭示了脑缺血后灵长类动物脑室下区神经源性生态位的转录组响应和基因表达的空间模式。

② 转录组学显示，缺血性SVZa中有541个基因上调，488个基因下调；上调基因的转录数据显示了静止干细胞、星形胶质细胞和少突胶质细胞的典型特征。

③ 通过ISH确定了对照和缺血SVZa中150个基因的表达，在www.monkey-niche.org可免费获取数字图像；大多数差异表达基因定位到SVZa纹状体或胼胝体的室管膜下层。

④ 对这150个基因的表达模式的比较分析，发现了灵长类动物SVZa细胞的几个新基因标记物，包括在缺血性损伤时在灵长类动物SVZa生态位中强烈表达的apelin受体（APLNR）。（刘桂林）

Transcriptome response and spatial pattern of gene expression in the primate subventricular zone neurogenic niche after cerebral ischemia.

2020.12.03；DOI：10.3389/fcell.2020.584314

研究文章；非人灵长类动物, 猕猴，脑，脑室下区，短暂性全脑缺血，神经干细胞, 细胞标记物，原位杂交技术；Monika C. Chongtham, Haifang Wang, Ivan H. Vachkov, Anton B. Tonchev; Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, 中国科学院脑科学与智能技术卓越中心；Medical University; Germany, 中国, Bulgaria.

神经退行性疾病/Neurodegenerative Diseases

多种中枢神经系统疾病相关的少突胶质细胞的共同特征

Nature Neuroscience [IF: 28.771]

① 对野生型（wild-type，WT）小鼠和阿尔兹海默症（Alzheimer’s disease，AD）模型（5xFAD）小鼠大脑组织进行大规模并行scRNA-seq（MARS-seq），根据细胞类型标识基因鉴定出11种细胞类型，对细胞数量最多的少突胶质细胞、星形胶质细胞、内皮细胞、成纤维细胞和周细胞进行差异分析，发现与WT小鼠相比，AD小鼠中少突胶质细胞展示出广泛的转录改变。

② 对6~24个月龄的WT和AD小鼠大脑中13,572个少突胶质细胞进行MARS-seq，鉴定出14个细胞簇，细胞簇12在四个不同月龄AD小鼠中都较WT小鼠富集，并随着AD疾病过程富集程度增加，将这种细胞命名为疾病相关少突胶质细胞（disease-associated oligodendrocytes，DOLs）；DOLs与Stat/Irf、YY1/NF-κB、Sox9转录因子家族相关，提示与DOLs信号相关的DEG可能由一组有限的转录因子回路诱导的。

③ 与WT小鼠相比，tau蛋白病变、合并tau蛋白病变、淀粉样变小鼠模型，以及实验性自身免疫性脑脊髓炎小鼠模型和脂多糖诱导的炎症小鼠模型中都具有大量的少突胶质细胞且高表达DOLs特征基因Serpina3n，表明DOLs不是5xFAD小鼠模型或淀粉样变小鼠中所特有的，且少突胶质细胞反应的强度与疾病严重程度相关。

④ 利用空间转录组学和免疫组化分析发现，在小鼠和人尸检大脑中表达关键DOL标记物（SERPINA3N和SERPINA3）的少突胶质细胞在脑损伤区皮质和Aβ斑块附近富集，且表达量与认知能力下降有关。（蓉宝）

A shared disease-associated oligodendrocyte signature among multiple CNS pathologies.

2022.06.27；DOI：10.1038/s41593-022-01104-7

研究文章；小鼠，脑，阿尔茨海默症，少突胶质细胞，MARS-seq；Mor Kenigsbuch, Pierre Bost, Michal Schwartz, Ido Amit；Weizmann Institute of Science; Israel.

通过CRISPRa将星形胶质细胞重编程为GABA能神经元来挽救帕金森病运动症状

EMBO Molecular Medicine [IF：14.260]

① 通过由CRISPR介导的纹状体星形胶质细胞直接重编程产生的GABA能神经元在毒素诱导的帕金森病小鼠模型中挽救了自主运动行为，开创了一种超越多巴胺水平恢复的新型干预策略。

② 开发了一种携带条件性dCas9激活系统和AAV系统的新型CRISPRa小鼠家系dCAM，仅通过腺病毒递送dCas9激活剂，以用于内源性靶基因的条件诱导。

③ 使用Ascl1、Lmx1a 和Nr4a2因子组合对小鼠纹状体星形胶质细胞进行直接重编程，可在体内诱导成为GABA能神经元。

④ 为CRISPRa的翻译应用建立了基于AAV的分裂dCas9激活剂系统用于内源基因激活，可同时激活5个靶向内源基因。

⑤ 基于AAV-dCAS的星形胶质细胞在体内重编程为诱导神经元，背侧纹状体经免疫组化鉴定为GABA能神经元；对背侧纹状体scRNA-seq得到的3,899个细胞分析，证实了dCAM模型中诱导神经元的GABAergic命运。

⑥ 联合AAV-dCAS诱导神经元的电生理特性和基于ALN的重编程可挽救毒素诱导的运动表型的结果，证实诱导的GABA能神经元能够改善帕金森病的特定运动症状。（舟江海）

Parkinson's disease motor symptoms rescue by CRISPRa-reprogramming astrocytes into GABAergic neurons.

2022.04.04；DOI：10.15252/emmm.202114797

研究文章；小鼠，脑，帕金森病，星形胶质细胞，重新编程，GABA能神经元，scRNA-seq；Jessica Giehrl-Schwab, Florian Giesert, Wolfgang Wurst; Institute of Developmental Genetics, Helmholtz Center Munich, Technical University of Munich, Munich Cluster for Systems Neurology (SyNergy), German Center for Neurodegenerative Diseases (DZNE); Germany.

阿尔兹海默病系统生物学的组学研究

Ageing Research Reviews [IF: 10.895]

① 综述了阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）中组学生物标志物特征的最新研究进展，包括基因组学、表观基因组学、宏基因组学、转录组学、microRNA组学、蛋白质组学和代谢组学/脂质组学。在生物体液、人脑组织和动物模型中进行的探索性、无偏见、高通量组学研究为表征AD病理生理学的主要分子/细胞通路和脑网络的改变提供了证据。

② 介绍了关键的系统生物学（systems biology，SB）网络方法，并描述了实现跨多个组学（multi-omics）层集成的策略，这为将基于系统的AD和AD相关痴呆的蛋白质组学特征转化为可获得的生物标志物迈出了第一步，从而有意义地提高了患者的预后和治疗管理。

③ 提供了关于神经成像数据和组学数据整合（即神经成像组学）的观点，以及不断发展的多组学如何推进AD中的精准医学。（于鑫/Lina）

Omics sciences for systems biology in Alzheimer’s disease: State-of-the-art of the evidence.

2021.04.27；DOI: 10.1016/j.arr.2021.101346

综述；脑，阿尔茨海默病，病理生理学，系统生物学，多组学，生物标志物图谱，精确医学；Harald Hampel, Simone Lista; Sorbonne University, Pitié-Salpêtrière Hospital, Boulevard de l’hôpital; France.

帕金森综合征患者大脑黑质细胞间通讯发生改变

Frontiers in Aging Neuroscience [IF: 5.750]

① 整合3个已发表的包括健康对照和帕金森综合征（Parkinson’s disease，PD）患者样本的人脑黑质（substantia nigra，SN）sc/snRNA-seq数据集（GSE126836、GSE140231、GSE157783），进行细胞分群注释，得到了7个细胞群，通过亚群分析，得到了多巴胺能神经元（dopaminergic neuron，DaN）细胞簇。

② PD组和健康对照组神经元细胞组成上存在巨大差异，与健康对照相比，PD样本中的小胶质细胞和星形胶质细胞数量显著增加。

③ 用CellChat（一种可以通过sc/snRNA-seq数据推断细胞间通讯的最新算法）分析健康供体和PD患者的细胞间通讯，发现PD患者中DaN与其他非神经元细胞簇之间的整体相互作用数减少，而相互作用强度增加。与对照组相比，PD患者的CRH、PACAP、PROS和其他一些信号传导通路被关闭，而CCL、VEGF、GDF和VISFATIN被打开；一些信号通路活性减少，如GDNF、NGF和PAR，一些信号通路活性上升，如ANGPT、EGF和HGF。

④ 分析DaNs参与的细胞间通讯，发现PD中的DaN与其他非神经细胞进行细胞间通讯的信号通路发生改变，包括一些生长因子、神经营养因子、趋化因子等途径。（邢雅楠）

Cell–cell communication alterations via intercellular signaling pathways in substantia nigra of Parkinson’s disease.

2022.02.25；DOI：10.3389/fnagi.2022.828457

研究文章；人，大脑，帕金森病，sc/snRNA-seq，CellChat，多巴胺能神经元，细胞间通讯，信号通路；Maoxin Huang, Liang Xu, Yuyan Tan, Shengdi Chen；上海交通大学医学院附属瑞金医院，同济大学医学院，上海理工大学；中国

脑部感染/Brain Infection

时间单细胞转录组学和表观遗传学揭示效应型、记忆型和耗竭型CD8+T细胞中共同和独特的生物回路

Nature Immunology [IF：31.250]

① 基于淋巴细胞脉络丛脑膜炎病毒（lymphocytic choriomeningitis virus，LCMV）的急性和慢性感染模型，通过联合scRNA-seq和scATAC-seq技术纵向分析不同分化时间点的效应型（Teff）、记忆型（Tmem）或耗竭型（Tex）CD8+T细胞，构建了不同CD8+T细胞亚群的单细胞转录组和表观染色质可及性图谱，揭示了Teff、Tmem和Tex CD8+T细胞的异质性和分化发育轨迹。

② 鉴定了新的Teff、Tmem和Tex细胞亚群，包括一个表达依赖于转录因子Zeb2的自然杀伤细胞相关基因的耗竭Tex细胞亚群，以及急性和慢性感染中的多个不同的TCF-1+干/祖细胞样细胞亚群。

③ 程序性死亡1（PD-1）通路阻断会改变已有的Tex细胞亚群之间的动态平衡，促进Exh-Prog向Exh-Int的分化。

④ 具有不同染色质景观的CD8+T细胞在不同分化发育通路中可以使用共同的生物学特征，如细胞毒性或干细胞/祖细胞性。

⑤ 细胞应激调节因子Btg1是Tex细胞分化的新型调控基因。（Lina）

Shared and distinct biological circuits in effector, memory and exhausted CD8+ T cells revealed by temporal single-cell transcriptomics and epigenetics.

2022.10.21；DOI：10.1038/s41590-022-01338-4

研究文章；脑，脑膜炎，淋巴细胞脉络丛脑膜炎病毒，CD8+T细胞，scRNA-seq，scATAC-seq；Josephine R. Giles, E. John Wherry; University of Pennsylvania; USA.

癫痫/Epilepsy

人难治性癫痫的免疫介导机制：小胶质细胞的广泛激活和其他促炎免疫细胞的浸润

Nature Neuroscience [IF：24.884]

① 从6名难治性癫痫（drug-refractory epilepsy，DRE）患者的11个脑组织病灶中分离出免疫细胞，完成CITE-seq建库和单细胞测序，得到85,780个细胞、22,968个基因，聚类为26个细胞亚群，描述了DRE组织的免疫微环境，为未来的神经炎症研究和临床的介入治疗发展提供丰富资源。

② 定义出13种小胶质细胞、6种浸润型免疫细胞亚群、3种神经血管单位(NVU)、1种少突胶质细胞和3种其他细胞类型，明确区分了大脑中的驻留细胞和免疫浸润细胞。

③ 与1,098个病理评估为正常的癫痫患者（scRNA-seq）和3,331个非神经系统疾病对照（snRNA-seq）比较，发现小胶质细胞在DRE组织中表现为促炎表型（高表达IL1B、IL1A、TNF、CCL2和CCL4）；由小胶质细胞引起的潜在原发性免疫失衡会产生利于慢性免疫炎症的微环境。

④ 深入分析一例儿童癫痫患者的免疫浸润数据，结合抗体衍生标签（antibody-derived tags，ADT）分析和谱聚类等得到更高分辨率的细胞分类，进一步证明DRE患者脑内存在记忆CD4+和细胞毒性CD8+T细胞的浸润，并建立NVU和免疫细胞之间的相互作用网络。

⑤ 利用PIC-seq、免疫组化和流式细胞术，验证了小胶质细胞与T细胞存在直接相互作用且会增强促炎和细胞毒性功能，提示小胶质细胞在脑内具有直接的抗原提呈作用。（徐晓静）

Single-cell transcriptomics and surface epitope detection in human brain epileptic lesions identifies pro-inflammatory signaling.

2022.06.23；DOI：10.1038/s41593-022-01095-5

研究文章；人，脑，癫痫，免疫微环境，免疫浸润，CITE-seq，免疫组化，PIC-seq；Pavanish Kumar，Derrick Chan，Salvatore Albani；Translational Immunology Institute, SingHealth/Duke-NUS Academic Medical Centre，KK Women's and Children’s Hospital；Singapore.

脑部创伤/Traumatic Brain Injury

再生小胶质细胞以IL-6依赖性方式促进大脑修复

Cell [IF：38.637]

① 使用创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI）小鼠模型，结合条件敲除技术、荧光激活的细胞核分选方法、空间转录组学等技术，发现哺乳动物大脑中的小胶质细胞可以被操纵，以采取一种神经保护和促再生的表型，帮助修复和减轻脑损伤引起的认知缺陷。

② 从小鼠大脑中消除小胶质细胞不会改善TBI后的认知能力或成熟神经发生。

③ 通过药理学或遗传学方法诱导小胶质细胞再生，可减轻TBI后的空间学习障碍并刺激TBI后功能性神经发生。

④ 再生小胶质细胞的神经保护作用依赖于IL-6反式信号，而不是经典途径；再生小胶质细胞具有独特的转录谱，可调节TBI后的微环境。（沈娟/Lina）

Repopulating microglia promote brain repair in an IL-6-dependent manner.

2020.03.05；DOI：10.1016/j.cell.2020.02.013

研究文章；小鼠，脑，创伤性脑损伤，星形胶质细胞，神经干细胞/祖细胞，神经炎症，小胶质细胞，RNA-seq，空间转录组；Emily F Willis, Jana Vukovic; Queensland Brain Institute, The University of Queensland; Australia.

神经遗传疾病/Neurogenetic Disorders

大脑中易患神经遗传性疾病的区域的单细胞转录组分析

Nature Communications [IF：12.121]

① 通过整合由基因组拷贝数变异（genomic copy number variations，CNV）引起的神经发育障碍患者的皮质神经影像数据和健康受试者的基因表达数据，揭示了调节神经遗传疾病中遗传风险与大脑区域变化的映射的组织原理，可能为基于CNV的脑部疾病的个性化医学进展开辟新途径。

② 通过研究基因定义（而不是行为定义）的患者队列，将实验结果与事先已知的一组基因进行基准比较，构建了用于预测区域脆弱性的人类转录易损性模型，该模型可与基因表达的细胞类型依赖性模式相关联。

③ 人脑的细胞组织提供了一个生物镜头，可以将特定基因的疾病相关改变转化为特定大脑分布区域的疾病相关改变，并利用这个细胞框架来缩小关于特定基因和细胞类型的假设，实现了对许多潜在大脑区域、细胞类别和基因的广泛筛选，而不依赖于患者的死后组织或模型系统的泛化。

④ 利用直接测量CNV载体的基因表达，完善并进一步验证了转录易损性模型；CNV携带者脑部空间结构的改变是由CNV区域基因在人脑中的内在表达梯度决定的；成年期皮质膜的内在转录差异与皮质膜的遗传性神经发育障碍有关。（田斌）

Transcriptomic and cellular decoding of regional brain vulnerability to neurogenetic disorders.

2020.07.03；DOI：10.1038/s41467-020-17051-5

研究文章；人，脑，神经发育障碍，神经遗传疾病，拷贝数变异，基因表达，转录易损性模型，MRI，单细胞分析；Jakob Seidlitz, Armin Raznahan; National Institute of Mental Health, University of Cambridge; USA, UK.