全长亨廷顿病小鼠模型的时间序列单细胞图谱揭示了皮质-纹状体功能障碍的阶段特异性特征

《Molecular Neurodegeneration》：Temporal single-cell atlas of full-length Huntington’s disease mouse model defines stage-specific signatures of corticostriatal dysfunction

　　

摘要

背景

亨廷顿病（HD）表现为进行性的皮质-纹状体功能障碍，但其时间动态和细胞类型特异性的脆弱性模式尚未完全明了。尽管最近在快速进展的模型中的单细胞研究揭示了早期发育和区域性的变化，但在全长HTT模型中区分病理机制与正常衰老的时间特征分析仍存在不足。为了识别细胞功能障碍的驱动因素，有必要解析相互连接的纹状体和皮质神经元群体在长时间内的阶段特异性时间动态。

方法

从杂合zQ175敲入小鼠的纹状体和运动皮层中生成了一个时间单核转录组图谱，这些小鼠分别处于早期症状（6个月）和晚期症状（18个月）阶段。这种全长亨廷顿蛋白模型能够同时评估进行性的电路功能障碍和生理衰老。zQ175模型的高遗传CAG重复序列长度使细胞超过了与转录失调和人类脆弱神经元群体身份侵蚀相关的体细胞扩增阈值，但尚未达到HD中最极端扩增情况下的解抑制危机和细胞丢失，从而为研究渐进性的分子病理级联提供了一个可行的窗口。通过建模基因型依赖性效应，可以区分疾病机制的细胞类型特异性特征与年龄相关和补偿性变化。将加权基因共表达和转录因子调控网络与蛋白质-蛋白质相互作用数据库相结合，预测了阶段特异性程序的候选调控因子。这些发现已在人类HD数据集和快速进展的R6/2小鼠模型中得到验证。

结果

时间基因和网络分析揭示了转录变化的多样化、趋同和双相模式，区分了疾病进展和神经元身份丧失与衰老。在人类HD和R6/2小鼠数据集中验证了21个细胞类型特异性的基因共表达模块，揭示了细胞应激、蛋白质稳态和突触程序的阶段特异性变化。富含CAG重复序列长度依赖性基因的疾病模块揭示了它们的时间进展。皮质和纹状体投射神经元中的共同脆弱性表明，表观遗传调控因子Zswim6以及剪接因子Rbfox1和Celf2参与了皮质-纹状体功能障碍。综合网络分析确定了Foxo1、Neurod2和Npas2作为阶段特异性的转录调控因子。跨物种验证证实了人类HD中保守的基因调控模块，确立了具有转化相关性的细胞类型特异性基因模块。

结论

这个时间分辨的图谱揭示了脆弱神经元群体中疾病相关基因表达程序和生理轨迹的阶段特异性转录动态，这些动态与单纯的衰老过程不同。这项工作为理解病理机制的时间和区域协调提供了一个重要的框架，为针对不同阶段的特异性治疗干预提供了分子层面的见解。

背景

亨廷顿病（HD）表现为进行性的皮质-纹状体功能障碍，但其时间动态和细胞类型特异性的脆弱性模式尚未完全明了。尽管最近在快速进展的模型中的单细胞研究揭示了早期发育和区域性的变化，但在全长HTT模型中区分病理机制与正常衰老的时间特征分析仍存在不足。为了识别细胞功能障碍的驱动因素，有必要解析相互连接的纹状体和皮质神经元群体在长时间内的阶段特异性时间动态。

方法

从杂合zQ175敲入小鼠的纹状体和运动皮层中生成了一个时间单核转录组图谱，这些小鼠分别处于早期症状（6个月）和晚期症状（18个月）阶段。这种全长亨廷顿蛋白模型能够同时评估进行性的电路功能障碍和生理衰老。zQ175模型的高遗传CAG重复序列长度使细胞超过了与转录失调和人类脆弱神经元群体身份侵蚀相关的体细胞扩增阈值，但尚未达到HD中最极端扩增情况下的解抑制危机和细胞丢失，从而为研究渐进性的分子病理级联提供了一个可行的窗口。通过建模基因型依赖性效应，可以区分疾病机制的细胞类型特异性特征与年龄相关和补偿性变化。将加权基因共表达和转录因子调控网络与蛋白质-蛋白质相互作用数据库相结合，预测了阶段特异性程序的候选调控因子。这些发现已在人类HD数据集和快速进展的R6/2小鼠模型中得到验证。

结果

时间基因和网络分析揭示了转录变化的多样化、趋同和双相模式，区分了疾病进展和神经元身份丧失与衰老。在人类HD和R6/2小鼠数据集中验证了21个细胞类型特异性的基因共表达模块，揭示了细胞应激、蛋白质稳态和突触程序的阶段特异性变化。富含CAG重复序列长度依赖性基因的疾病模块揭示了它们的时间进展。皮质和纹状体投射神经元中的共同脆弱性表明，表观遗传调控因子Zswim6以及剪接因子Rbfox1和Celf2参与了皮质-纹状体功能障碍。综合网络分析确定了Foxo1、Neurod2和Npas2作为阶段特异性的转录调控因子。跨物种验证证实了人类HD中保守的基因调控模块，确立了具有转化相关性的细胞类型特异性基因模块。

结论

这个时间分辨的图谱揭示了脆弱神经元群体中疾病相关基因表达程序和生理轨迹的阶段特异性转录动态，这些动态与单纯的衰老过程不同。这项工作为理解病理机制的时间和区域协调提供了一个重要的框架，为针对不同阶段的特异性治疗干预提供了分子层面的见解。