【文献解读】cell-空间转录组和原位测序研究阿尔茨海默病

虽然在阿尔茨海默病(AD)的淀粉样斑块周围观察到复杂的炎性样改变，但对表征这种反应的分子变化和细胞相互作用知之甚少。我们在此研究，在AD小鼠模型中，利用空间转录组学研究淀粉样斑块周围100毫米直径的组织中发生的转录改变。我们发现早期的基因共表达网络中富含髓磷脂和少突胶质细胞基因(OLIGs)，而斑块诱导的基因(猪)的多细胞基因共表达网络中，包括补体系统、氧化应激、溶酶体和炎症，在疾病的晚期表现突出。我们通过对小鼠和人脑切片的原位测序，在细胞水平上证实了大部分观察到的改变。全基因组空间转录组分析提供了一个前所未有的方法，以解开在AD和其他脑疾病的致病特征附近的失调的细胞网络。

(A)在3、6、12和18个月大时收集AppNL-G-F和WT大脑的10毫米冠状切片。中间切片行ST，相邻两个切片行免疫染色。(B)每个脑区TDs的总数。(C和D) 10327个转录组谱的t-SNE图。TDs按脑区(C)、基因型和年龄(D)染色，TH、丘脑;忧郁,hy - pothalamus;FB,纤维束;海马的树突状层;海马体层;CNU脑核;CTXsp皮质底板;OLF嗅觉区;ENTI,内嗅区;TEP、时间联合区、外嗅区和嗅周区;澳元,听觉区;SSp，主要躯体感觉区;后顶叶联合区;负责,retrosplenial区域。

免疫染色的抗体(6E10，白色)、星形胶质细胞(GFAP，绿色)、神经元(NeuN，红色)和细胞核(DAPI，蓝色)显示年龄(月)。标尺，500毫米。下图:皮质初级觉区TDs (yel- low圆，直径100mm)放大。(B) Ab负荷的量化。黄色的圆圈表示相关的TDs。像素强度的标准差与内依赖专家分析具有最好的相关性，并被用作TD的Ab指数。(C)绘制每个大脑区域的对数变换Ab指数在指定年龄的平均值。(D)散点图显示通过ST (y轴)或RNAscope (x轴)检测到的每个靶点Ab暴露的LFC函数，如图(E)所示(tar- gets:红色或绿色，箭头)，有5个同心环的斑块。皮尔逊相关= 0.92,p = 0.009。标尺，50毫米。

猪模块是在Ab暴露18个月时功能变化最大的WGCNA模块(见文本和图S3B)。(A) 57头基因型模型猪在指定年龄的低脂猪肝。每个点代表一头猪。(B) AppNL-G-F小鼠各区域猪Z得分平均值。(C)各TD中57头猪Z得分均值(y轴)与对数变换Ab指数均值(x轴)正相关。皮尔逊相关= 0.39,p 0。(D)维恩图，突出了猪与ARM/DAM小胶质细胞和A1星形胶质细胞的重叠。参见图S3D。前10个连接的枢纽基因用红色标出。(E和F) 3 (E)月龄和18 (F)月龄的散点图。y轴表示基因在TDs中表达的LFC，函数为log-transform Ab指数。x轴表示AppNL-G-F与WT小鼠基因表达的LFC。猪模块的个体基因(紫色)，人类ad相关小胶质细胞标记的小鼠原型(Mic1，橙色;(Mathys et al.， 2019)，表示两个数据集之间的重叠(绿色)。

18月龄AppNL-G-F小鼠的冠状切片(A)和海马体放大(B)中84个基因(猪和细胞类型标记基因)的分布情况，通过原位测序(ISS)证实。(C) (A)和(B)中显示的84个基因的颜色，包括红色的neuronal(即Syp、Neurod6和Grin3a)，黄色的小胶质细胞(即Itgam、Cx3cr1和Csf1r)，绿色的星形胶质细胞(即Slc1a3、Gfap和Serpina3n)，蓝色的少突胶质细胞转录本(即Plp1和Laptm5)。(D)从R1(环1，最近的区域)到R5(环5，最远的区域)的淀粉样斑块周围区域。淀粉样斑块(6E10)为白色，而核(DAPI)为蓝色。(E) 18月龄AppNL-G-F小鼠ST和ISS基因表达变化的散点图比较。y轴显示的是通过st检测到的根据log-transformed Ab index的每个靶点的LFC值。x轴显示的是通过ISS检测到的每个靶点在第1环(斑块)中的富集情况(log2 odds ratio [L2OR])。黑点显著，而灰色则不显著。(F)感兴趣的单个点(白色)到半径5毫米的细胞类型标记之间的距离分数示例。参见图S7。(G和H)所选标记(G)和猪(H)的细胞标记。从2个基因型的4个冠状切片中检测到的每个基因的总数和斑点总数;WT和AppNL-G-F小鼠中检测到的相对计数，以及AppNL-G-F小鼠斑块中检测到的puncta比例;淀粉样斑块的富集，L2OR基因斑点的二项试验，负值表明耗尽;细胞分配，每个基因在特定细胞类型中的富集

图见https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.06.038。该表显示了AppNL-G-F小鼠每年龄每分位数的TDs数量和Ab积累水平。图中的绿线表示基因对之间的连通性评分的强度。根据WT中WGCNA的分析，将猪分成3个簇(蓝色、绿色和橙色)。注意，从Q4到Q1，随着Ab积累的增加，基因的剂量敏感性增加，因此命名为猪。

(A)月龄和18 (B)月龄时OLIG模块对Ab积累(A)和(B)散点图的时空响应。y轴表示基因在TDs中表达的LFC，作为对数转化Ab指数的函数。x轴表示AppNL-G-F与WT小鼠基因表达的LFC。OLIG模块的个体基因(红点)，人类ad相关少突胶质细胞标记的小鼠原体(Oli0，橙色点;(Mathys et al.， 2019)，表示两个数据集之间的重叠(绿点)。参见图S3B。(C) AppNL-G-F小鼠在3个月和18个月时，各区域、各年龄对数转化Ab指数对165个OLIG基因低脂层数的平均值(mesh, non-significant LFC, p >0.0001)。(D)根据Ab暴露在TDs亚群中的OLIG表达情况。y轴表示OLIG的表达(平均Z分位数归一化到全脑水平最低Ab分位数集合Q4的平均值)。* p & lt;0.05, * * p & lt;0.005 * * * p & lt;0.0005, Mann-Whitney U检验与Q4比较，p值采用Benjamini- Hochberg程序校正。(E)定量(F). (F) RNAscope联合免疫荧光分析AppNL-G-F小鼠3月龄时淀粉样斑块(6E10，白色)附近的Mbp、Olig2、Plp1和Cnp。核是蓝色的(DAPI)。标尺，50毫米。

用ISS在人脑中显示的猪和OLIG模块(A) AD患者额上回细胞类型标记物的分布。刻度条，1000毫米和500毫米(放大)。基于所有细胞类型标记基因组合，对所有点状细胞进行一次细胞类型分配。标记:红色，神经元(如DLGAP1);蓝色，少突胶质(如MAL);黄色小胶质细胞(如CX3XR1);绿色，星形胶质(如ADGRV1)。参见图S6和S7以及表S6。(B和C) 45头被检测猪(紫色，B)和42个OLIGs(红色，C)的人类标准基因表达。鳞条，1000 mm。(D和E)猪(D)和OLIGs (E)的量化。总数，6个个体检测到的每个基因的斑点总数;相对计数、非痴呆对照组(NDCs)、AD患者和AD患者斑块中puncta的比例;在淀粉样斑块中富集，斑点基因LOR在斑块中富集;细胞分配，每个基因在特定细胞类型中的富集(benjamin - hochberg -corrected p <0.05)。球的大小与l2或成正比。