利用体内功能增强型Perturb-seq技术绘制星形胶质细胞中转录因子功能的图谱

《SCIENCE》：Mapping transcription factor functions in astrocytes using in vivo gain-of-function Perturb-seq

　　

编辑摘要

星形胶质细胞在调节大脑功能中起着重要作用，并与多种神经系统疾病相关。张等人通过开发一种体内功能增强型Perturb-seq方法，研究了影响星形胶质细胞生物学的遗传因素。该方法用于在小鼠的生理和病理条件下绘制星形胶质细胞的转录因子图谱。在神经炎症模型中，作者发现了一种可能作为阿尔茨海默病治疗候选物的转录因子。这些结果揭示了星形胶质细胞在健康和疾病状态下的生物学特性。——马蒂亚·马罗索（Mattia Maroso）

结构化摘要

引言

Perturb-seq能够同时高通量分析遗传扰动对许多基因的影响，揭示它们的调控网络和功能作用。将这种方法扩展到体内并结合细胞类型特异性读数，可以系统地解析组织内的基因型-表型关系。星形胶质细胞对大脑稳态、突触维持和神经炎症至关重要，其转录因子（TFs）的调控机制在体内（无论是生理状态还是病理状态）都尚未得到充分了解。

研究背景

最近的体内单细胞扰动方法可以在活体组织中进行基因功能研究，但仅限于生理条件下的小规模功能丧失分析，这限制了治疗靶点的探索。我们开发了一种体内功能增强型平台（iGOF–Perturb-seq），该平台结合了条形码开放阅读框、腺相关病毒（AAV）介导的递送和单核RNA测序（snRNA-seq），以系统评估扰动大量基因在活体组织中的过表达效应。将该平台应用于小鼠大脑中的星形胶质细胞后，我们分析了约1000个转录因子的功能增强效应，揭示了在复杂生物学背景下调节星形胶质细胞功能的调控网络。我们进一步将该平台扩展到疾病模型小鼠中，实现了体内治疗靶点的筛选。

结果

我们构建了一个包含约1000个转录因子的AAV介导的过表达文库，并使用iGOF–Perturb-seq平台进行了靶向功能增强和功能丧失验证，创建了星形胶质细胞转录因子的功能图谱。这项大规模分析为理解转录因子如何在体内调控基因网络和细胞功能提供了宝贵资源。通过对受扰动星形胶质细胞的转录组谱进行基因表达程序分析，我们识别出共功能转录因子模块，并预测了之前未表征的转录因子的功能，揭示了定义星形胶质细胞功能的转录网络。为了进一步阐明转录因子介导的转录网络，我们对所有受扰动的星形胶质细胞进行了高维加权基因共表达网络分析。该分析确定了五个富含不同生物学过程的共表达模块，并产生了六个转录因子簇，揭示了多种功能增强型转录因子扰动如何对星形胶质细胞的功能性转录程序产生协同效应。通过将我们的Perturb-seq数据与正常年龄受试者以及患有神经退行性疾病、胶质瘤和精神疾病患者的snRNA-seq数据集进行比较，我们预测了可能与疾病进展相关的转录因子，并成功验证了它们的功能作用。更重要的是，在模拟疾病条件下进行的Perturb-seq分析使得能够直接分析病理状态下的基因调控。例如，我们发现星形胶质细胞特异性转录因子Ferd3l可能是神经退行性疾病的潜在治疗候选物。在阿尔茨海默病（AD）小鼠模型中，Ferd3l的全脑过表达不仅抑制了炎症反应和星形胶质细胞的神经毒性激活，还改善了认知缺陷和反应性星形胶质细胞介导的神经毒性，证明了其神经保护潜力以及iGOF–Perturb-seq在系统体内治疗靶点筛选中的实用性。

结论

我们的研究利用iGOF–Perturb-seq在生理和病理条件下建立了星形胶质细胞转录因子的功能图谱，为理解健康和患病大脑中基因调控和分子机制提供了宝贵资源，同时有助于识别多种脑部疾病中的潜在致病性和治疗靶点。

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利用体内功能增强型Perturb-seq在生理和病理条件下构建星形胶质细胞转录因子的功能图谱。

(1) 开发iGOF–Perturb-seq平台以研究星形胶质细胞中的转录因子功能。(2) 阐明星形胶质细胞中多种生物学过程中的转录因子调控作用。(3) 基于转录因子图谱预测与疾病相关的转录因子。(4) 使用iGOF–Perturb-seq在病理条件下筛选治疗性转录因子。(5) 通过AAV介导的全脑星形胶质细胞特异性Ferd3l过表达治疗5XFAD小鼠的AD相关病理。

摘要

结合高通量筛选和细胞类型特异性读数的体内方法有助于阐明复杂组织中的基因型-表型关系。我们开发了一种体内功能增强型Perturb-seq平台（iGOF–Perturb-seq），用于构建约1000个转录因子（TFs）在星形胶质细胞中的功能图谱，星形胶质细胞是许多大脑功能所必需的细胞类型。我们识别出共功能模块，注释了未表征的转录因子，并预测了与疾病相关的转录因子簇。此外，在小鼠神经炎症模型中，iGOF–Perturb-seq发现Ferd3l是一个治疗候选物，而星形胶质细胞特异性过表达Ferd3l可缓解小鼠的阿尔茨海默病症状。这项研究为理解体内的基因调控和疾病机制提供了资源，并有助于识别不同脑部疾病的治疗靶点。