Science：基于單細胞測序開展自閉癥患者腦細胞研究

　　自閉癥是一種由于神經系統失調導致的發育障礙。此前，美國疾病控制和預防中心已經將自閉癥的發病率從1/68提升到了1/59，中國尚沒有全國的統計數據，但有專家預計并不會低于1%。雖然有大量的轉錄組研究顯示自閉癥的病理性分子通路存在共同性，但有關其特定細胞類型的基因表達變化尚不清晰。

　　近日，由美國、英國和德國科學家組成的一個研究團隊發表了自閉癥研究的最新成果。該研究團隊對來自自閉癥患者和健康人群的104,599個腦細胞核RNA進行了測序，發現了該疾病中發生失調的基因類型以及皮層神經元和小膠質細胞的基因表達變化，并指出了常見的受影響的分子通路，包括突觸功能等，有助于將自閉癥未來的研究重點縮小到最可能的分子途徑和細胞水平。5月17日，該研究成果發表在《科學》上。

　　由于人們此前所做的是大量的基因表達研究，并沒有直接的方法檢測分析自閉癥特定細胞類型。利用新開發的單細胞RNA測序技術，該研究團隊檢測了15個ASD患者大腦皮質的50,000多個單細胞核中的基因表達以及16個健康對照者大腦中的50,000多個單細胞核。該測序技術可將單個細胞核自動分離成液滴，經過添加RNA條形碼和測序之后，檢測數據可根據條形碼自動分配給單細胞，進而通過關鍵標記基因的表達來確定細胞類型。利用該技術檢測，研究團隊分析了自閉癥患者和健康對照之間基因表達顯著不同的細胞類型。

　　此前，科學家對自閉癥樣本的基因表達分析強調的是共同基因和分子途徑，這有可能忽略了該疾病的臨床和遺傳異質性。為了縮小對發生基因表達改變的特定腦細胞類型的研究范圍，包括臨床特征不同的自閉癥病例，研究人員使用單細胞核RNA測序和10x基因組學平臺。根據轉錄組特征對細胞核進行聚類，研究人員在腦細胞樣本中發現了17種細胞類型，包括興奮性神經元、小膠質細胞和星形膠質細胞，并分析了大量RNA測序數據。

圖：自閉癥中特定細胞類型的基因表達差異。

　　當研究團隊聚焦于自閉癥特異性細胞類型和特征時，發現了神經元突觸信號差異以及小膠質細胞基因表達差異。研究結果顯示，在自閉癥患者的腦細胞樣本中，皮層上層神經元表現出更多的基因表達失調，其中參與突觸功能和轉錄的基因受影響更大。同時，具有免疫功能的小膠質細胞也表現出明顯的基因異常，其中小膠質細胞激活基因和發育轉錄因子基因受影響最大。表明皮層上層神經元和小膠質細胞中的特定基因組與自閉癥的臨床嚴重程度相關，因此具有自閉癥特異性表達變化的基因或可成為優先考慮的治療靶點。

　　對于該研究，來自自閉癥研究領域的專家表達了各自的看法。

　　加州大學洛杉磯分校的Daniel Geschwind表示：“該研究使用了最新的單細胞測序技術研究自閉癥患者的腦細胞，能夠驗證并擴展此前的相關研究結果，使其達到以前無法達到的分辨率水平。”

　　加利福尼亞大學舊金山分校的遺傳學家Stephan Sanders認為：“這是一項必須進行的研究，在組織層面，該研究廣泛驗證了自閉癥此前的研究數據，并第一次發現了哪些細胞類型與該病癥有關。”

　　斯坦福大學醫學院的Dennis Wall表示：“這是一個令人興奮的進步，也是合理和重要的工作，該研究非常詳細的描述了自閉癥患者腦細胞中受影響的分子途徑，有助于突破自閉癥研究的一些難題。”

　　紐約西奈山伊坎醫學院的Joseph Buxbaum在對該研究表示稱贊的同時，也對該研究的樣本量感到擔憂。雖然研究分析了自閉癥患者的50,000多個細胞核，但這些僅來自15名患者。他強調，這也反映了自閉癥研究領域一個非常大的局限性和問題，那就是腦部樣本非常有限。

　　對此，研究人員表示：“在更大的數據集中驗證該研究結果是非常重要的。將大量基因表達數據與此前的研究數據進行比較，可以發現大量與自閉癥相關的轉錄變化。這是一個非常令人鼓舞的發現。”同時，研究團隊表示，未來將進行更多患者隊列的研究，并利用括全外顯子測序和改進的單細胞測序技術，以更精確地識別自閉癥相關的分子變化及其與有害基因變異的關系。

　　參考資料：

　　1.D. Velmeshev et al., “Single-cell genomics identifies cell type–specific molecular changes in autism.” Science, 364:685–89, 2019.

　　2.Autism Study Reveals Gene Expression Changes in Specific Brain Cell Types

　　3.Neural Cell Types Tied to Autism Identified in Single-Cell Study