2022年11月，加州大学Michael J. Gandal教授团队通过单细胞转录组测序(scRNA-seq)建立了自闭症谱系障碍(ASD)患者脑皮层单细胞图谱，揭示了ASD患者大脑各区域的细胞状态变化，对ASD等神经疾病研究具有重要的指导意义。

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文章亮点

01

用单细胞技术解决了什么问题？

利用单细胞技术分析了ASD患者脑部基因表达的变化，揭示了与ASD相关基因的变化特征和分布情况，对ASD的深入研究具有重要意义。

02

实验亮点

相比之前的研究，本研究涉及的脑皮层研究区域增至11个、样本数量增加至725个，样本数量和研究区域的提升增加了实验结果的可信度和准确性。

03

临床意义

通过实验结果可推测，ASD可能和蛋白质折叠功能障碍有关，说明神经性发育障碍是一个生物影响的过程，这将有助于我们对神经性ASD的全面了解，确定与ASD相关的风险基因，同时也可能是ASD潜在的治疗位点。

研究背景

ASD和其他的精神类疾病相似，遗传成分复杂、风险基因多、病因异质性等因素都增加了对ASD的困难。已有实验结果表明，ASD额叶和颞叶皮层的转录组变化与其表观遗传失调具有一致性，但是该转录变化的作用区域尚不清楚。所以了解ASD转录组的分子变化和分布对破译ASD的神经分子生物学至关重要。

思维导图

研究结果

1、ASD11个皮质区域基因表达发生明显变化

为了分析ASD患者大脑皮层发生的变化，作者通过bulk-RNA seq和snRNA-seq分析了大脑皮层4个皮质小叶11个区域725个样本的数据(图1a-b)。数据分析结果表明，大脑皮层11个区域的转录本存在明显差异，其中B17和B41/42/22区域基因变化最为显著(图1c和1e);从大脑皮层整体的转录情况也证实了ASD患者的大脑皮层转录本出现了明显变化(图1d和1e)。主成分回归分析结果显示，整个大脑皮层和11个区域基因表达差异在ASD中变化高度一致(图1f)。

dup15q(ASD中最常见病症之一)与特发性ASD在差异表达基因或亚型存在大量的重叠，说明ASD患者大脑皮层的转录组发生了明显变化(图1g)。

图1 ASD11个皮质区域基因表达发生明显变化

2、ASD患者大脑皮层基因表达复杂度下调

不同组别之间的差异表达基因数量存在显著的不同，区域性的基因表达下调形成了ARI区域(基因差异性表达量下降的区域)，ASD皮层中基因显著下降的ARI区域有10个，其中9个ARI和BA17或BA39/40有联系，推测ASD皮层基因转录变化和BA17或BA39/40有极高的相关性(图2a-2b)。与对照组相比，ASD中的BA17和BA39/40区的ET4和SOX11表达量出现了不同，说明细胞分布和功能发生了改变，同时也说明基因的变化会影响转录起始因子的丰度(图2c-2d)。

图2 ASD患者大脑皮层基因表达复杂度下调

3、与ASD关联的潜在危险基因分析

采用共表达模块特征聚类分析ASD的转录数据发现，有18个转录模块表现出失调，其中Gene M9、Gene M32等5个模块失调现象最明显(图3a),随后使用全基因组关联研究(GWAS)方法分析了Gene M9、Gene M32在内的5个模块在不同细胞中的富集情况,发现IsoformM37和GeneM5模块在蛋白互作方面尤为明显(图3b)。通过对IsoformM37和GeneM5模块功能基因的注释，筛选了20个关联性高的基因绘制蛋白质互作网络图，发现中心基因产物参与蛋白质与蛋白质间相互作用的功能，说明IsoformM37和GeneM5模块可能和ASD病症有较高相关性(图3c-3d)。

图3 与ASD关联的潜在危险基因分析

4、ASD不同皮层区域转录变化的特征分析

对ASD全皮层分析发现了6个最显著的区域变化性失调模块，分别是GeneM7、GeneM8、GeneM4、GeneM23、GeneM14和GeneM3(图4a)。GeneM4等4个模块与ASD显著相关，并且能在BA17中观察到明显的变化；GeneM3等6个模块在皮质后区表达量更高，但在ASD整个皮层呈下调趋势；GeneM8等4个模块在前区表达量更高，但在ASD整个皮质呈上调趋势(图4a-4d)。采用UMAP法汇总了ASD患者25万个细胞核的信息，先是根据细胞类型对不同区域着色，并分析不同区域的细胞类型的占比，结果表明虽然ASD中的细胞类型出现了略微变化，但细胞类型的比例对ASD的影响不大(图4e-4h)。ASD大脑皮层的细胞类型占比无显著波动，皮质区域差异表达基因数量呈现出明显的梯度变化，不同细胞类型的差异表达基因数量也存在明显的梯度变化(图4i-4j)。此外，正常基因或基因模块的表达在ASD中出现了明显的紊乱(图4k-4i)。

图4 ASD不同皮层区域转录变化的特征分析

结论

在本研究中，作者从bulk-RNA seq和snRNA-seq对ASD大脑皮层11个区域进行了分析，对先前的额叶和颞叶的“神经元下调”和“胶质/免疫上调”研究结果的深入，同时也是对ASD分子病理学的研究的深入。研究发现ASD大脑皮层的基因和转录发生了明显改变，涉及多种神经细胞类型和特定的生物过程；除高阶关联区受到影响，初级感觉区也出现了不同的变化，其中变化最明显的是初级视觉皮层(BA17区域)；分析结果还显示ASD突触的稳态性失衡，神经冲动的传导能力下调，所以ASD在皮层范围内存在明显的神经元失调。从共表达模块特征聚类分析和蛋白质互作网络图中可以推测，蛋白折叠功能障碍是导致ASD产生的重要原因之一，同时也说明多种神经发育障碍是一个受生物影响的过程。

参考文献

Michael J Gandal, Jillian R Haney, Brie Wamsley, et al. Broad transcriptomic dysregulation occurs across the cerebral cortex in ASD. Nature. 2022 Nov;611(7936):532-539.

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