인간 소교세포는 알츠하이머병에서 독특한 전사 변화를 보여줍니다

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뇌의 선천적 면역 세포인 소교세포는 알츠하이머병(AD) 진행에 영향을 미치며 잠재적인 치료 표적입니다. 그러나 소교세포는 다양한 기능을 나타내지만 그 조절이 완전히 이해되지 않아 치료제 개발이 복잡해집니다. AD와 관련된 전사체 표현형 및 유전자 조절 네트워크를 더 잘 정의하기 위해 우리는 단일 핵 RNA 시퀀싱 전에 12 AD의 소교세포 핵과 10개의 제어 인간 등 외측 전두엽 피질(남성 7명과 여성 15명, 모두 60세 이상)을 강화했습니다. 여기서 우리는 확립되고 이전에 인식되지 않은 소교세포 분자 표현형, 관찰된 전사체 변화를 유도하는 추론된 유전자 네트워크를 설명하고 궤적 분석을 적용하여 소교세포 표현형 사이의 추정 관계를 밝힙니다. 우리는 대조군에 비해 AD 사례에서 더 널리 퍼진 소교세포 표현형을 식별합니다. 또한, 우리는 항상성 마커를 발현하는 소교세포 하위 클러스터의 이질성을 설명합니다. 우리의 연구는 인간 AD 뇌의 소교세포에 대한 심층 프로파일링이 AD와 관련된 소교세포 전사 변화에 대한 통찰력을 제공할 수 있음을 보여줍니다.

알츠하이머병(AD)은 병리학적으로 세포외 아밀로이드-베타(Aβ) 플라크, 신경 세포내 신경원섬유 엉킴 및 신경염증을 특징으로 합니다. AD 병리학의 수정 가능한 특징인 신경염증에 대한 관심은 뇌 골수 세포에 의해 고유하게 발현되는 유전자의 코딩 및 비코딩 영역에 국한된 AD 위험 변종을 식별하는 유전적 연구와 함께 커졌습니다1. 소교세포는 뇌의 상주하는 선천성 면역 골수 세포이며 AD 병태생리학을 촉진한다고 가정되는 신경염증 과정에 기여합니다2,3,4,5,6,7,8,9,10. 이전 연구에서는 AD에서 미세아교세포가 주변 뉴런의 행동과 기능에 영향을 미치는 염증 매개체를 방출하고 신경교세포가 신경 보호 기능을 잃고 시냅스와 뉴런의 비정상적인 식균 작용을 시작한다고 제안했습니다. Microglia는 모델 시스템13,14에서 타우 확산에 기여하는 것으로 보이며 항체 기반 면역요법 접근법에 대한 반응으로 관찰되는 Aβ 감소를 포함하여 Aβ 제거에 관여하는 주요 세포 유형일 가능성이 높습니다. 따라서 소교세포의 염증 행동은 치료 표적 설계와 관련이 있습니다. 그러나 AD 뇌의 소교세포 반응에 대한 이해에는 큰 격차가 남아 있습니다.

소교세포 표현형은 형태, 생리학, 유전자 또는 단백질 발현 패턴에 따라 구별됩니다. 모델 시스템에서 수행된 실험은 이러한 이질적인 특징이 특정 기능적 미세아교세포 표현형과 연관될 가능성이 있음을 시사합니다. 특히 AD와 같은 특정 질병 상태의 설정에서 성인 인간 뇌 내의 미세아교세포 표현형의 이질성에 대해서는 알려진 바가 적습니다. 신선하고 냉동된 인간 피질 조직에 대한 단일 세포 및 단일 핵 RNA 시퀀싱(snRNA-seq) 연구는 AD 및 기타 뇌 병리와 관련하여 여러 미세아교세포 전사 표현형을 밝혀냈습니다22,23,24,25,26,27,28, 29. 전사학적으로 구별되는 클러스터를 구별하면 특정 세포 행동을 조절하는 후보 유전적 및 후생적 요인을 식별할 수 있으며, 이는 정밀 치료법 접근 방식에 활용될 수 있습니다. 그러나 표준 snRNA-seq 방법에는 개인당 소수의 미세아교세포가 포함되는 경우가 많습니다. 낮은 세포 수는 소교세포 전사 표현형의 전체 범위를 매핑하는 능력을 감소시키고 클러스터 또는 하위 클러스터 내에서 질병 관련 유전자 발현 변화를 식별하는 능력을 제한할 수 있습니다. 우리는 개별 샘플당 훨씬 더 많은 수의 미세아교세포를 포함하는 데이터 세트를 사용하여 미세아교세포 전사 표현형의 추가적인 세포 과정과 규제 요인이 밝혀질 것이라는 가설을 세웠습니다.

1.25. Cluster 1 was annotated as inactivated, often referred to as ‘homeostatic’ in single-nucleus studies of microglia. Differential gene expression analysis was repeated as above comparing each other cluster to cluster 1. GSEA was performed in ClusterProfiler69 modified to use a set seed for reproducibility, using the GO, KEGG and Reactome pathway sets, version 7.2. Enriched pathways had an FDR-adjusted P < 0.05. We considered pathways to be representative if significant results included similar genes and biological functions in at least two of the three major databases (GO, KEGG and Reactome)./p>60 years. Because the samples were obtained from humans, and the study was designed to detect differences between AD cases and healthy aged brains, the samples were not randomized between conditions. We counterbalanced sequencing batches by sex and disease status such that all conditions were present in each sequencing batch. Statistical analysis for pseudobulk RNA-seq data and snRNA-seq data used DESeq2 and MAST, respectively. DESeq2 is designed to model the RNA-seq count data by a negative binomial distribution, and MAST is designed to model the zero inflation observed in snRNA-seq data. For statistical analysis of cluster proportion, counts data were used, which does not rely on a normal distribution. When the dataset was downsampled for trajectory analysis and regulon detection, the nuclei were randomly downsampled to generate multiple iterations of the dataset that evenly represented the clusters and kept the samples in their original proportions. For trajectory analysis, three downsampled permutations at three downsample resolutions (1,000, 2,000 or 3,000 nuclei per cluster) were analyzed for a total of nine iterations, resulting in similar findings as those displayed in Fig. 4. For pySCENIC regulon detection, the dataset was downsampled with five permutations at 1,000 nuclei per cluster and three permutations at 2,000 and 3,000 nuclei per cluster. Each of these permutations was run through the pySCENIC pipeline multiple times, resulting in 27 instances of regulon detection. These 27 instances were compiled into the consistency scores displayed in Fig. 3 and Extended Data Fig. 6. Experiments involving immunohistochemistry of human tissue were replicated on, at minimum, samples from five humans, and images displayed are representative of staining observed in multiple fields of at least three human samples./p>