单细胞测序发现帕金森病的关键调节因子

帕金森病（PD）是一种常见的神经系统变性疾病，其临床症状主要表现为僵化和震颤。目前，全球大约有600万人患有帕金森病。尽管大多数患者为散发病例，但少数患者是由于GBA基因中的变异，特别是N370S突变。

近日，牛津大学的研究人员利用患者和对照的诱导多能干细胞（iPSC）生成了多巴胺神经元，其丢失导致了该疾病的运动症状。通过大量细胞和单细胞测序，他们梳理了病例和对照的基因表达差异，发现这似乎受到组蛋白去乙酰化酶4（HDAC4）的调节。他们利用正在开发的药物来靶向HDAC4，发现能够纠正与疾病相关的细胞表型。

这项研究成果于本周发表在《Cell Stem Cell》杂志上。“我们的工作证明了我们如何利用单细胞转录组学来探索细胞异质性，从而揭示疾病机理和治疗靶点，”作者在文中写道。

研究人员从三名帕金森病患者（带有GBA N370S突变）和三名对照中获得iPSC细胞，然后将它们分化成多巴胺神经元。利用FACS分选后，大量细胞的RNA测序显示TH、DDC等多巴胺神经元的标志基因表达增加。病例和对照的神经元之间大约存在250个基因的差异表达。

之后，研究人员测序了病例和对照的146个单个神经元的转录组。主成分分析表明，细胞按患者来源聚类，并且也按信号识别颗粒依赖的共翻译蛋白的基因表达聚类。

通过结合大量细胞和单细胞的RNA-seq数据，研究人员生成了一份60个核心基因的列表，它们的表达在患者来源的神经元中改变。具体来说，52个基因的表达下调，而8个基因的表达上调。

沿着疾病发展的轴线，早期下调的基因包括那些参与神经元功能、蛋白质分泌和运输以及轴突生长的基因。同时，后期上调的基因包括内质网应激基因。研究人员指出，这与他们之前的研究成果一致，即患者多巴胺神经元中的内质网应激更高。

他们还补充说，许多在早期差异表达的基因都受到组蛋白去乙酰化酶4（HDAC4）的下调，表明靶向它也许能影响疾病过程。他们发现HDAC4错误定位在患者iPSC分化的多巴胺神经元中的细胞核上，在早期抑制基因表达，导致晚期蛋白质平衡的缺陷。

研究人员随后利用四种靶向HDAC4的化合物来处理患者的多巴胺神经元。他们报告称，这些化合物逆转了早期疾病相关基因的表达下降，而后期的进一步处理限制了内质网应激基因的表达升高。

研究人员将他们的分析扩展到四名特发性帕金森病患者。他们发现，其中的两名患者也存在HDAC4的核定位增加及其调节基因的表达减少，以及内质网应激基因的上调。

“我们发现疾病过程是一个动态事件，并确定HDAC4是早期分子变化的一个关键调节因子，这些变化导致晚期的病理过程，”作者写道。他们认为这种方法也适用于其他疾病，有助于发现疾病机理和治疗靶点。

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