空间转录组助力背外侧前额叶皮层与压力相关的抑郁行为分子机制研究

最近研究表明，小胶质细胞与抑郁症的发展有关，激活小胶质细胞的信号通路可能导致抑郁行为。本研究通过结合单细胞核测序与空间转录组测序技术，研究与社会压力相关的抑郁行为的雌性食蟹猕猴的背外侧前额叶皮层的细胞和分子变化。单细胞数据发现与抑郁行为相关的基因表达变化主要发生在小胶质细胞中，并鉴定了促炎症性小胶质细胞亚群显著富集。通过空间转录组技术鉴定了与抑郁行为相关的富集基因模块的空间定位。该研究结果确定了雌性非人类灵长类动物中与抑郁行为相关的小胶质细胞亚群。

 

文章题目：Integrating spatial and single-nucleus transcriptomic data elucidates microglial-specific responses in female cynomolgus macaques with depressive-like behaviors

中文题目：整合空间和单细胞核转录组数据，阐明具有抑郁样行为的雌性食蟹猕猴中小胶质细胞特异性反应机制

发表时间：2023.06

期刊名称：nature neuroscience

影响因子：25

实验平台：单细胞核转录组测序、空间转录组测序

DOI：https://doi.org/10.1038/s41593-023-01379-4

 

 

实验设计

 

实验技术路线

 

 

 研究结果 

 

1、低社会等级猕猴易出现抑郁症状

首先，研究者筛选了三个种群，使用David评分（DS）确定每个群体的社会等级。接下来，研究者进行行为学测试，量化了6个抑郁行为指标，包括拥挤、独坐、运动、友好、摄入和社会等级。结果发现，等级高的猕猴很少表现出抑郁特征；而等级低的个体表现出显著（DL）的或较弱（RES）的抑郁行为。

 

Fig.1 不同等级猕猴群体抑郁行为的鉴定

 

2、抑郁猕猴dlPFC样本的snRNA-seq分析

研究者从三组样本（对照组、DL和RES)中，共分离出19份dlPFC样本，进行细胞核单细胞转录组测序检测。数据结果共聚类到35个cluster，通过非人类灵长类动物和人类脑组织中报道的细胞marker进行注释和细胞比例分析。结果发现，在dlPFC中，最丰富的细胞类型为神经元细胞和胶质细胞（93.23%）。

 

Fig.2 snRNA-seq分析DL组dlPFC

 

3、DL组不同细胞类型的分子特征分析

研究者比较了DL组和对照组之间不同细胞类型的基因表达差异。在所有主要细胞类型中鉴定了240个差异表达基因（DEG），其中神经胶质细胞比神经元表现出更显著的变化，并且是细胞类型特异性的。其中，小胶质细胞表达大部分的DEG，主要与小胶质细胞介导的免疫反应激活有关。通过共表达网络分析，鉴定到了3个基因簇（GC1-3），其中每个基因簇细胞的特异性和功能与抑郁不同表型有关。此外，研究者还使用CellphoneDB预测了细胞间的互作，发现DL猕猴比对照组有更多的受体配体对，其中小胶质细胞主要参与DL特异性通信。

 

Fig.3 神经胶质细胞中主要DEG组成共表达基因簇

 

4、小胶质细胞优先受DL影响 

通过比较，研究者发现小胶质细胞表达了大量的DEG。此外，与其他类型的细胞相比，小胶质细胞与MDD密切相关。因此，研究者对小胶质细胞单独进行了聚类，以探索与DL相关的小胶质细胞亚群。5735个小胶质细胞都聚类成8个亚群。通过比较每个亚群与对照组的相对丰度，发现Mic03（高表达IQGAP2）在DL中富集，并且DL组所有小胶质细胞亚群中IQGAP2+小胶质细胞比例显著增加。因此，Mic03可能是DL组一种特异性的小胶质细胞亚型。功能富集显示，Mic03表现出显著的促炎信号，富集到促炎相关pathway。因此，研究者将Mic03命名为“具有抑郁样表型的促炎小胶质细胞”（PIMID）。

 

Fig.4 在DL中富集的促炎小胶质细胞亚群的鉴定

 

5、空间转录组测序定义的皮质层区域

dlPFC在指导行为方面至关重要，接下来对其进行了空间转录组测序。通过数据分析，将具有相似基因标记的spot合并为4个区，并命名为ST region1-4。ST region1对应第1层，ST region2对应第2-3层，ST region3对应第4-6层，ST region4对应白质层。利用单细胞数据联合分析，对每个spot点进行反褶积，评估不同ST区主要细胞类型组成的变化。结果显示，兴奋性神经元和少突胶质细胞是切片中的主要细胞群，并且细胞类型的比例随层结构而变化。

 

Fig.5 ST区在dlPFC中具有层结构

 

6、抑郁行为相关模块位于不同的ST区域

研究者将与抑郁行为相关的基因模块映射到ST区域，研究抑郁行为是否与特定空间区域有关。结果显示，积极和消极情绪行为相关模块的空间分布有所不同。消极情绪相关的基因模块主要分布在浅表皮层（ST region1），并在少突胶质细胞、兴奋性神经元和中间神经元中表达；PIMID亚型主要分布于STregion 3。PIMID亚型在人类和猕猴dlPFC皮层空间的定位可能有助于对抑郁行为进行针对性的干预。

 

Fig.6  ST区与抑郁表型相关

 

 

主要结论

 

本研究发现，经历了长期的社会压力，具有抑郁的雌性猕猴dlPFC 中，细胞类型特异性基因变化主要发生在神经胶质细胞中。小胶质细胞中的差异基因表现出与抑郁行为相关的表达模式。此外，研究者还发现了dlPFC小胶质细胞亚型（PIMID），与四种行为显著相关，并参与激活促炎通路。对dlPFC切片的空间转录组测序分析，发现了抑郁行为特异性空间功能区域。该研究通过对snRNA-seq和ST数据的整合，系统地解剖了猕猴dlPFC中各种抑郁样表型的细胞特异性变化以及参与抑郁表型模块的空间定位，为抑郁症提供了潜在的治疗靶点。

 

 

参考文献：

Wu J, Li Y, Huang Y, et al. Integrating spatial and single-nucleus transcriptomic data elucidates microglial-specific responses in female cynomolgus macaques with depressive-like behaviors. Nat Neurosci. 2023;26(8):1352-1364. doi:10.1038/s41593-023-01379-4