研究背景
中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）無(wú)論是急性（例如創(chuàng)傷性損傷）還是慢性（例如神經(jīng)退行性疾?。┑膿p傷，都會(huì)導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的神經(jīng)元損害甚至死亡，而那些存活下來(lái)的神經(jīng)元有的能長(zhǎng)出新的軸突并重新建立突觸連接。該研究通過(guò)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組揭示了與視神經(jīng)擠壓 （ONC）后小鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGC）的選擇性恢復(fù)能力相關(guān)的差異表達(dá)程序。
實(shí)驗(yàn)方法
材料：成年小鼠（n=10）眼球中分離的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGC）
方法：?jiǎn)渭?xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、免疫組化、FISH、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序
研究結(jié)果
1、視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGC）類(lèi)型分析
通過(guò)熒光分選（FACS）從成年（產(chǎn)后56天）小鼠眼、球中分離出RGC，進(jìn)行scRNA-seq分析（圖 1A），共獲得35,699個(gè)細(xì)胞，分為45個(gè)cluster（圖 1C），45個(gè)cluster的相對(duì)豐度從0.15%到8.4%不等（圖 1D）。45個(gè)cluster都表達(dá)泛RGC標(biāo)記，例如Slc17a6、Rbpms和Pou4中的至少一個(gè)（圖 1E），45個(gè)cluster top2差異基因（DE）如圖1F所示。
圖1 scRNA-seq揭示成年小鼠45種不同的RGC類(lèi)型
2、結(jié)合scRNA-seq和形態(tài)學(xué)共同定義RGC類(lèi)型
利用FISH和IHC技術(shù)對(duì)視網(wǎng)膜中RGC進(jìn)行標(biāo)記和定位，發(fā)現(xiàn)不同的視網(wǎng)膜層具有不同的視網(wǎng)膜細(xì)胞，例如特異性表達(dá)Gpr88和Fam19a4的C10和C24在內(nèi)叢狀層（IPL）的S2和S4中，而表達(dá)Slc17a7的C25僅在S5中（圖 2A）。
通過(guò)scRNA-seq和形態(tài)學(xué)對(duì)視網(wǎng)膜進(jìn)行雙重驗(yàn)證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)aRGC為C41-43、45這4個(gè)cluster（圖 2B）；之前的研究?jī)H確定了4個(gè)T-RGC和4個(gè)F-RGC類(lèi)型，但單細(xì)胞揭示了每個(gè)亞類(lèi)中的第5種類(lèi)型（分別為C9和C32；圖 2C和2D）；同時(shí)ipRGC也發(fā)現(xiàn)了M1（C33和40）、M2（C31）和 M4（C43）類(lèi)型的標(biāo)記（圖 2E）；ooDSGC中大部分是Cartpt+，通過(guò)Mmp17的表達(dá)確定了N-ooDSGC；C16表達(dá)的Col25a1，是D-和V-ooDSGC的marker。最后CALB1+細(xì)胞是D-ooDSGCs ，CALB2高表達(dá)細(xì)胞是V-ooDSGC（圖 2F-2H）。已知RGC子類(lèi)與cluster存在部分重合，每種cluster不超過(guò)兩個(gè)子類(lèi)。子類(lèi)與cluster重合表達(dá)的基因如圖2J，如：4/5 T-RGCs （Tbr1+）、4/5 F-RGCs （Foxp2+）、5/9 T5-RGCs （Tusc5+）、4/5 ipRGCs（Opn4+）和3/4 aRGC（Spp1+）。另外還鑒定到了新的子類(lèi)：如8個(gè)表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子Neurod2和Satb2的cluster被化為N-RGC等。其余11/45類(lèi)型未分配到子類(lèi)，但它們確實(shí)表現(xiàn)出與其他類(lèi)型的相關(guān)性。
圖2 scRNA-seq簇與RGC形態(tài)學(xué)類(lèi)型的對(duì)應(yīng)關(guān)系
3、不同RGC類(lèi)型對(duì)ONC的敏感性差異很大
以RGC圖譜為基礎(chǔ)，評(píng)估了不同細(xì)胞類(lèi)型對(duì)ONC的彈性（圖 3A）。在ONC后14天對(duì)~8,500個(gè)RGC進(jìn)行分析，此時(shí)~80% RGC已經(jīng)死亡（圖 3C），該研究使用iGraphBoost對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分群（圖 3B），iGraphBoost可以將89%損傷的RGC分配到各個(gè)cluster中（圖 3C）。損傷后第14天所有cluster表達(dá)的marker基因同1F（圖3D）。與對(duì)照相比，將14dpc不同RGC類(lèi)型的存活率按從高到低排列（圖 3E），不同RGC類(lèi)型在14dpc時(shí)表現(xiàn)出不同的存活率，范圍從1%到98%不等。比較轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和IHC對(duì)細(xì)胞活率的結(jié)果，結(jié)果高度一致（Pearson r = 0.97）（圖 3H）。這些數(shù)據(jù)表明不同RGC對(duì)傷害的不同反應(yīng)。所有ipRGC（Opn4+）都是有彈性的，所有N-RGC類(lèi)型都是易受影響的（圖 3F）。之前被定性為彈性子類(lèi)的aRGC中，C42，43具有很高的彈性，但C41，45相對(duì)容易受到影響（圖 3F）。同樣，稀有和豐富的類(lèi)型都可能具有彈性或脆弱性（圖 3G）。因此，基因表達(dá)或RGC子類(lèi)都不是判斷細(xì)胞是否是彈性的完美因子。
圖3 損傷后RGC的scRNA-seq分析
4、損傷后RGC的存活率定義了三個(gè)生存組
在ONC后的前3天內(nèi)，很少有RGC死亡，在接下來(lái)的5天內(nèi)死亡約70%，28dpc時(shí)逐漸下降到約10%（圖 3I）。根據(jù)它們的損失動(dòng)力學(xué)，將RGC類(lèi)型分為三組：7個(gè)cluster是有彈性的類(lèi)型，在14dpc時(shí)達(dá)到約50%的存活率；11個(gè)cluster是“中間”類(lèi)型，在4到7dpc之間表現(xiàn)出顯著下降；27個(gè)cluster是脆弱類(lèi)型，4dpc時(shí)顯著減少（圖 3J-3M）。因此，中間和脆弱RGC（分別為intRGC和susRGC）的存活率在4dpc時(shí)顯著不同（susRGC：39%±21%；intRGC：95%±25%）。
5、ONC后的基因表達(dá)譜
為了研究RGC中激活損傷反應(yīng)，對(duì)ONC后的RGC進(jìn)行基因表達(dá)譜分析，確定了771個(gè)在不同類(lèi)型之間的DE基因，通過(guò)k均值聚類(lèi)（圖 4A）劃分為8個(gè)模塊（Mod1-8），識(shí)別具有不同時(shí)間動(dòng)態(tài)的基因集，這些基因集富集在不同的GO功能中，例如在0.5dpc開(kāi)始下降的模塊1（Mod1）中的基因富集在健康神經(jīng)元相關(guān)的GO功能中，如動(dòng)作電位、突觸囊泡胞外/內(nèi)吞作用和逆行軸突運(yùn)輸（圖 4B）。相比之下，在Mod5和Mod6中的基因與細(xì)胞凋亡和應(yīng)激途徑相關(guān)（圖 4C）。DE基因幾乎沒(méi)有表現(xiàn)出強(qiáng)烈的類(lèi)型特異性差異，但ipRGC類(lèi)型除外，Mod5、6和7中C22、C31、C33和C40中的基因的上調(diào)明顯低于其他類(lèi)型（圖 4D和4E）。
圖4 scRNA-seq揭示促進(jìn)RGC神經(jīng)保護(hù)的衍生候選物
6、單細(xì)胞技術(shù)確定與神經(jīng)保護(hù)相關(guān)的基因
尿皮質(zhì)素（Ucn），它編碼來(lái)自促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子家族的肽；促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素結(jié)合蛋白（Crhbp）。ONC后Ucn僅在aRGC中上調(diào)，而Crhbp在ONC前后susRGC中表達(dá)（圖 5A和5B）。過(guò)表達(dá)Ucn，注射Ucn重組蛋白，通過(guò)CRISPR和兩種不同的sgRNA敲除Crhbp，結(jié)果發(fā)現(xiàn)四種方式都顯著增加RGC的存活率（圖 5C和5J）。隨后又驗(yàn)證了幾對(duì)基因的表達(dá)和功能富集情況，結(jié)果與Ucn和Crhbp類(lèi)似。說(shuō)明可以通過(guò)對(duì)基因的干預(yù)來(lái)保護(hù)部分脆弱的RGC類(lèi)型。
圖5 影響RGC生存的基因
總結(jié)
該研究分析發(fā)現(xiàn)不同類(lèi)型的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGC）對(duì)軸突損傷的耐受性不同，一些基因可改善視神經(jīng)擠壓（ONC）后神經(jīng)元存活和軸突再生。這項(xiàng)研究提供了分析損傷類(lèi)型特異性反應(yīng)的實(shí)例，并證明了差異基因表達(dá)可用于揭示干預(yù)的分子靶標(biāo)，本文方法還可用于鑒定新的神經(jīng)保護(hù)機(jī)制。
百邁客單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組產(chǎn)品介紹
百邁客單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序產(chǎn)品基于10x Genomics系統(tǒng)利用微流體系統(tǒng)和油滴包裹技術(shù)，在單細(xì)胞水平進(jìn)行高通量基因表達(dá)譜檢測(cè)，對(duì)復(fù)雜細(xì)胞群深入分析，表征單個(gè)細(xì)胞的表達(dá)譜，避免單個(gè)細(xì)胞的異質(zhì)性生物學(xué)信息被大量細(xì)胞的均質(zhì)化覆蓋。通過(guò)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組，可鑒定細(xì)胞群、細(xì)胞亞群、篩選細(xì)胞群特有marker基因，并完成對(duì)細(xì)胞分化軌跡的追蹤，從而解析細(xì)胞異質(zhì)性和發(fā)育軌跡。
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