基本信息
材料：人，小鼠脊髓
方法：Spatial Transcriptomics
期刊：Science
影响因子：41.845
研究背景
肌萎缩性侧索硬化症（ALS）的瘫痪是由运动神经元退化导致的骨骼肌神经失调。运动神经元和神经胶质细胞之间的相互作用导致运动神经元的丧失，但对于在完整的脊髓组织中解析驱动这些过程分子事件的时空顺序仍然知之甚少。本文作者通过空间转录组测序来获得小鼠 ALS 疾病进程的脊髓空间基因表达谱，以及 ALS 患者死后的腰椎和颈椎脊髓组织的空间基因表达数据，以表征 ALS 潜在的分子机制。
研究结果
1. 小鼠脊髓的时空表达谱
作者取了 SOD1-WT （对照）和 SOD1-G93A （ALS）4 个时期（症状前、发病、症状和终末期）共 67 只小鼠，约 1200 个腰椎脊髓切片进行空间转录组测序，得到超过 76,000 个空间基因表达值。随后对 7 例 ALS 患者死后的腰椎和颈椎脊髓组织切片进行 ST 验证。
Fig.1 小鼠脊髓的空间表达
2. Trem2 和 Tyrobp 介导的信号转导
这里作者重点关注了神经退行性疾病模型中常涉及的 Trem2 机制。Trem2 和 Tyrobp 与膜脂质或脂蛋白结合时形成复合物，可以触发吞噬作用或调节细胞因子信号。空间基因表达分析表明，Trem2 介导的机制在该小鼠模型中具有时空顺序。Tyrobp 的表达上调早于症状发生前且早于 Trem2 在腹角和腹白质中的上调。此外，在症状出现前，Lpl 和 B2m 在腹角中同时特异性上调，而 Apoe 和 Cx3cr1 则没有上调（Fig.2A）。Apoe 的表达由 Trem2 信号驱动，其本身也是 Trem2 的配体，因此 Apoe 和 Trem2 是在一个能够触发和维持吞噬小胶质细胞表型的自调节回路中起作用。以上表明，Trem2 和 Tyrobp 介导的信号转导是与疾病相关的小胶质细胞基因表达变化的早期步骤，揭示了这些变化的时空顺序。
Fig.2 Trem2 和 Tyrobp 介导的信号失调
3. 自噬相关基因的突变与 ALS
Trem2 突变与多种神经退行性疾病相关，由于其调节自噬，作者随后探究了一些自噬相关的基因和 ALS 的关系。ST 分析和 IF 成像显示，参与自噬和内吞酶体系统的基因在这个 ALS 小鼠模型的脊髓中发生了异常调节。通过敲除 Atg7 来抑制自噬，导致 ALS 小鼠症状发生提前，但存活时间有所延长。
4. 基因共表达分析
为了更好地了解疾病相关的基因调控变化和细胞类型之间的相互作用，作者对小鼠 ST 数据进行了基因共表达分析，确定了 31 个主要的共表达模块（Fig. 3）。结合已发表的 scRNA 数据，将每个模块的基因与细胞类型特异性表达模式进行对应，确定了区域星形细胞群的基因表达特征，它们表现出明显的、与疾病相关的时空动态，并在不同程度上依赖于胆碱能自噬。
Fig.3 ALS疾病进展过程中基因表达的时空动态
5. ALS 患者脊髓组织的空间基因表达特征
最后作者对 4 例临床表现为延髓症状发作的 ALS 患者和 3 例临床表现为下肢症状发作的ALS患者的颈椎和腰椎组织进行空间转录测序来验证上述小鼠模型中的结论。结果发现，ALS 病理的严重程度与症状发作部位的邻近程度密切相关。例如，编码乙酰胆碱酯酶 (ACHE) 的基因，其活性与 ALS 的神经肌肉缺陷有关，在神经支配症状发作部位的脊柱节段近端表达降低（Fig.4 A&B）。同样地，作者对这些临床样本的 ST 数据也进行了基因共表达分析，发现模块 3 的基因在多个通路中富集，包括鞘脂、逆行内源性大麻素和 WNT 信号通路（Fig.4 C）。在以往的研究中已经报导了 ALS 患者以及 SOD1 ALS 小鼠模型脊髓中糖鞘脂水平及其代谢的改变，鞘脂类信号调节剂已被提出作为 ALS 的潜在治疗手段。但在本研究中，作者通过大量的 ST 数据详细说明了鞘脂类信号在多种细胞类型、脊髓区域和疾病分期中的动态变化，为之后的临床治疗提供依据。
Fig.4 ALS 患者脊髓组织的基因表达特征
文章总结
本研究通过对 ALS 小鼠疾病进程（症状前、发病、症状期和终末期）的脊髓组织进行空间转录组测序，提供了极其详细的空间表达谱数据，揭示了 ALS 的分子病理特征。例如 Trem2 和 Tyrobp 介导的信号转导，自噬基因的突变等，随后通过基因共表达分析探究不同细胞类型在 ALS 疾病进程的协同调节，以及对临床样本进一步验证发现鞘磷脂信号可作为 ALS 的治疗靶点。
参考文献
Maniatis S , Aijo T , Vickovic S , et al. Spatiotemporal dynamics of molecular pathology in amyotrophic lateral sclerosis[J]. Science, 2019, 364(6435):89-93.
