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【烈冰助力】單細胞核測序+空間組學,烈冰生物助力重醫(yī)附一院神經(jīng)內科團隊解析抑郁行為發(fā)生新機制

時間:2023-07-26    |    閱讀量:2138



根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)的數(shù)據(jù),自2017年以來,重度抑郁癥(MDD)已成為世界上最主要的殘疾原因之一,其潛在的細胞和分子機制已有研究者對于男性的MDD基于單細胞分辨率進行初步探索(Corina Nagy, Nat Neurosci 2020)。本研究為首次基于單細胞核測序技術(snRNA-Seq以及空間組學技術(Spatial Transcriptome,采用靈長類造模,對于女性受社會地位MDD的致病機制進行了研究,并定位致病關聯(lián)的細胞類型。

烈冰科技合作伙伴——重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院神經(jīng)內科團隊針對上述問題開展了系列研究,于2023年7月在Nature Neuroscience (IF=28.771)上發(fā)表了題為“Integrating spatial and single-nucleus transcriptomic data elucidates microglial-specific responses in female cynomolgus macaques with depressive-like behaviors”的研究論文。重醫(yī)附一院終身教授謝鵬,鄭鵬研究員為共同通訊作者,武靖博士后、李一帆博士、黃羽博士為共同第一作者。

烈冰生物承擔了本研究中的單細胞測序、空間轉錄組數(shù)據(jù)分析工作,下面跟隨小編的步伐,一起來看看本文的實驗設計和研究成果吧~



單細胞核測序實驗設計

實驗分組:高社會等級 Controls n = 7、低社會等級 Depressive Like n = 7、低社會等級 RES n = 5

主要技術手段:單細胞核(snRNA-seq)測序、空間轉錄組(Visium ST)測序

單細胞捕獲平臺:10x Genomics

NovelBarin云平臺分析:細胞聚類分析,subCluster分析,差異基因表達分析,GO/Pathway分析,Cellphone分析,QuSAGE分析、WGCNA分


研究成果解析




圖1:實驗設計及分析原理


一、 基于單細胞大類差異的疾病關聯(lián)基因簇解析

1. 單細胞核測序初步分析與細胞類型確認

研究者采用行為學量化評價指標,對于猴子的社會等級心理狀態(tài)進行了劃分,并將不同臨床表現(xiàn)形式的三組樣本進行單細胞核測序以及空間組學測序為保證后續(xù)分析嚴謹可靠,研究者與烈冰的生信團隊一起,從基因數(shù)量,線粒體,雙細胞等角度對于數(shù)據(jù)進行質控,最終得到136231個細胞核,并對于分組間測序質量比較無顯著差異,說明了本次核測序穩(wěn)定可靠,批次差異小,可用于后續(xù)分析。這些細胞核最終被分為8個細胞大類,其神經(jīng)元細胞與膠質細胞的比例特征與前人研究一致,進一步證明數(shù)據(jù)可靠。

2. 對照組與抑郁組獼猴細胞類型大類差異

隨后烈冰醫(yī)藥分析團隊采用經(jīng)典的神經(jīng)領域的單細胞分析策略,比較DL組和正常組各大類細胞的差異基因,共鑒定240個不重復的差異表達基因。這些差異基因主要富集在膠質細胞,尤其是其中的小膠質細胞(56.25%,而非神經(jīng)元細胞中。其中的小膠質細胞的特異性差異,主要和免疫反應激活息息相關。

研究團隊后續(xù)創(chuàng)造性地采用共表達網(wǎng)絡分析(Co-Exp分析這些基因結合DisGeNET數(shù)據(jù)庫以及MDD研究情況,得到兩個疾病相關的基因大類,即與抑郁顯著相關的D-Pattern(主要由小膠質細胞構成)和與社會地位相關R-Pattern(主要由星狀膠質細胞構成),這為研究者和烈冰醫(yī)藥分析團隊鎖定小膠質細胞提供了基礎。




圖2:核測序質控和細胞類型鑒定結果


、基于單細胞細分結果的疾病關聯(lián)小膠質細胞發(fā)現(xiàn)

隨后,烈冰生物分析團隊采用單細胞測序傳統(tǒng)的先分大類后分小類的策略,對于小膠質細胞進行重聚類(Sub-clustering)。在8個亞群中,Mic03亞群與抑郁樣本表型相關性高。該亞群與小膠質細胞差異基因的一致性超過其他群體的同時,表達IQGAP2,F(xiàn)YN,PDE7A,ARHGEF3,可能調節(jié)小膠質細胞的激活和神經(jīng)炎癥?;赒usage功能富集分析后發(fā)現(xiàn),其具有極強的促炎特征,最終將其命名為“抑郁樣表型的促炎小膠質細胞”PIMID。



圖3: 差異基因鑒定以及WGCNA分析


三、空間組學助力小膠質細胞的空間定位與表達特征探索

有別于傳統(tǒng)空間組學分析策略,研究者與烈冰醫(yī)藥分析團隊采用了WGCNA分析空間組學數(shù)據(jù),揭示了抑郁行為,積極以及消極情緒行為模塊對于基因在空間分布上的差異,并通過生信分析對于這些差異進行定位。



圖4: 在DL中富集的促炎小膠質細胞亞群鑒定


而PIMID(Darkturquoise Module)主要定位于猴腦解剖腦的第6層(Layer6),對應于獼猴dlPFC ST區(qū)3,PIMID在人類和獼猴dlPFC皮層空間的定位可能有助于抑郁表型有針對性的干預,為后續(xù)研究提供基礎。



圖5:空間轉錄組差異基因分布


總結:

研究團隊基于低等級抑郁猴模型,發(fā)現(xiàn)與抑郁樣行為相關的基因表達變化主要發(fā)生在小膠質細胞中,并且報道了一個在抑郁樣條件下富集的促炎癥小膠質細胞亞群,該研究成果為抑郁癥的精細干預提供潛在新靶點,為該領域的研究提供了參考。

原文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41593-023-01379-4