Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6538(2023) 이 기사 인용
868 액세스
15 알트메트릭
측정항목 세부정보
근위축성측삭경화증(ALS)에서 신경교의 역할은 부인할 수 없습니다. 그들의 질병 관련 활동은 척수에서 광범위하게 연구되었지만 뇌에서는 부분적으로만 연구되었습니다. 우리는 널리 사용되는 ALS 모델인 SOD1(G93A) 마우스의 피질에 있는 신경교에 대한 포괄적인 연구를 제시합니다. 단일 세포 RNA 시퀀싱(scRNA-seq)과 면역조직화학을 사용하여 성별 요인을 고려하여 질병의 4단계에서 성상교세포, 소교세포 및 희소돌기아교세포를 검사했습니다. 우리는 성별에 관계없이 질병 진행 전반에 걸쳐 신경교의 최소한의 변화를 보고합니다. 의사벌크 및 단일 세포 분석에서는 면역조직화학에 의해 뒷받침되는 미세아교세포 및 희소돌기아교세포의 말기 단계에서 미묘한 질병 관련 전사 변경이 밝혀졌습니다. 따라서 우리의 데이터는 SOD1(G93A) 마우스 피질이 환자의 질병을 재현하지 않는다는 가설을 뒷받침하며 대뇌 피질 ALS 병리학에 대한 향후 연구를 위해 다른 모델의 사용을 권장합니다.
ALS의 특징적인 운동 뉴런(MN)의 변성은 초기에 진행성 근육 위축을 유발하여 운동, 말하기, 삼키기의 어려움을 초래하고 최종 단계에서는 호흡 부전을 유발합니다. 일반적으로 ALS는 병리학적 메커니즘이 제대로 이해되지 않은 다인자성 질환으로 간주되며 평균 생존 기간은 3~5년입니다. 현재 치료법이나 예방법은 없고 대증치료만 가능하다.
MN은 병리학의 영향을 받는 주요 세포 유형으로 인식되지만, 여러 연구에서 교질을 포함한 비뉴런 세포도 변화를 겪고 ALS 진행에 참여한다는 것이 확인되었습니다1,2. 신경교세포는 다양한 메커니즘을 통해 신경변성이나 손상에 반응합니다. 소교세포와 성상교세포는 유전자 발현과 형태의 변화로 표시되는 소위 반응 상태를 획득합니다. 염증 및 항염증 경로의 활성화를 통해 조직이 더 이상 손상되지 않도록 보호합니다. 그러나 질병의 만성 단계에서는 해로운 영향을 미치고 신경 퇴행의 진행에 기여합니다. 전통적으로 반응성 성상교세포와 소교세포는 각각 A1과 A2 또는 M1과 M2 하위 유형으로 나누어졌습니다. 그러나 특정 유전자 시그니처를 가진 신경교의 다양한 하위 집단이 최근 다양한 질병 모델에서 설명되었기 때문에 이 용어는 현재 오래된 것으로 간주됩니다3,4,5. 질병 관련 성상교세포(DAA), 질병 관련 소교세포(DAM), 활성화된 반응 소교세포(ARM) 및 인터페론 반응 소교세포(IRM)는 이들 중 몇 가지 예일 뿐입니다. 반면 희소돌기교세포는 병리학적 변화에 더 취약합니다. 질병에 반응하여 반응 상태로 전환되기보다는 퇴화되는 경향이 있습니다. 그러나 질병 진행에서 이들의 수동적 역할은 최근 면역 보호, 인터페론 신호 전달, 항원 처리 및 제시에 대한 기여를 설명하는 연구에 의해 의문이 제기되었습니다6,7.
성상교세포, 소교세포, 희소돌기아교세포의 역할과 각각의 병리 관련 변화가 ALS 환자에서 여러 번 보고되었습니다8,9,10. 사용 가능한 데이터의 대부분은 척수에서 나오지만 일부 연구에서는 피질11의 신경교 병리도 보고되었습니다. 알려진 병리학적 변화는 대부분 사후 조직에서 확인되었으며, 이는 질병 메커니즘에 대한 연구를 허용하지 않으므로 신뢰할 수 있는 동물 모델의 필요성이 증가합니다. 현재 SOD1(G93A) 마우스는 가족성 ALS12와 유사한 가장 널리 사용되는 모델을 나타냅니다. 표현형적으로 모델은 질병 경과와 일치하며, 척수 및 뇌간 연구에서는 이전에 환자에게서 발견된 ALS 관련 세포 변화를 보고했습니다2,8,13,14,15,16. 그러나 피질은 논란의 대상인 것 같습니다. 연구의 수는 제한되어 있으며 결과는 모순된 결과를 제시합니다. 일부는 대뇌 피질의 신경교 세포와 MN이 ALS 유사 표현형17,18,19,20에 의해 영향을 받는다는 것을 보여 주지만 다른 일부는 SOD1(G93A) 모델21의 대뇌 피질 영역에 아무런 영향을 미치지 않는다고 보고합니다.
0; female: counts of Xist > 0, nFeature_Y < 2, nCount_Y < 2; nFeature_Y being a number of Y-encoded genes and nCount_Y being a number of transcripts mapping to Y chromosome) were excluded from the dataset (Supp. Fig. 1a). These cells classified as ‘Undefined’ comprised almost 1/3 of the total number of cells and represented low quality cells (Supp. Fig. 1b)./p> 1000, 2000 < nCount_RNA < 10,000, percent.mt < 8; microglia—nFeature_RNA > 700, 1000 < nCount_RNA < 10,000, percent.mt < 5; oligodendrocytes—nFeature_RNA > 1300, 2500 < nCount_RNA < 50,000, percent.mt < 5 (Supp. Fig. 1d). Tissue dissociation may induce the expression of IEGs, the first rapid cellular response to stimuli24,30. A set of the IEGs (e. g. Fos and Jun transcription factors) was projected onto the UMAP using AddModuleScore function to investigate the level of induction of these genes by sample preparation (Supp. Fig. 1c). The SoupX R package (version 1.5.2)31 was applied to remove the contaminating RNA background. The unfiltered and annotated data were supplied as the input. The contamination fraction was estimated by the automated method and was in the range from 1 to 2 % for individual samples. The count values were subsequently corrected for the contamination./p> 1 or < − 1 were considered differentially expressed. Males and females were compared at each time point for each cell type and condition. Control (CTRL) and SOD1 pairs were also tested at each time point and for each cell type (end-stage DEGs in Supp. Tab. 1). The Gene Set Enrichment Analysis (GSEA)32 was performed using clusterProfiler R package (version 4.0.5)33,34. Reference gene set size was limited to 10–800 genes and the significance threshold was set to padj = 0.05. Only results where more than one gene contributed to the enrichment (core enrichment) were considered relevant./p> 0.25, Supp. Tab. 3). The identity of the subclusters was determined by comparison with available gene signatures of various previously described cellular subtypes using the AddModuleScore function and by manual annotation based on the calculated marker genes. Reference gene expression signatures were taken from Habib et al.5 (Gfap-Low and Gfap-High astrocytes), Sala Frigerio et al.4 (ARM, IRM) and Marques et al.35 (MFOL1/2, MOL2, MOL5/6). The intermediate state of astrocytes was visualized using a gene set containing calculated markers of cluster 2 and markers of transition state published by Habib et al.5. The signature of homeostatic microglia resulted from the combination of homeostatic markers mentioned in Keren-Shaul et al.3, Mathys et al.36 and Butovsky and Weiner37. The top 30 genes were used for the projection in astrocytes, and 20 genes were used in the microglia and oligodendrocytes. Numbers of cells entering differential expression analysis (DEA) and subpopulation analysis are provided in Supp. Tab. 4./p> 1 and padj < 0.05. The X chromosome gene Xist was significantly upregulated in the females in all three cell types, regardless of genotype. The Xist gene plays a major role in the gene dosage compensation in females by silencing one of the X chromosomes, and is therefore expressed only in female cells40. Two genes encoded by chromosome Y (Eif2s3y, Uty) were upregulated in males, but the difference in their expression only exceeded the log2FC threshold in astrocytes (Fig. 3b). Apart from these, no other dysregulated genes related to the pathology progression and sex were found in our data./p> 1, padj < 0.05), confirming the validity of the SOD1(G93A) model. Other dysregulated genes were mostly noncoding or ribosomal transcripts that evaded quality control. Additionally, the 4 M CTRL samples were marked by an increased expression of genes Cdk8 and Cmss1 across all cell types. These two genes were identified in the subsequent analysis as confounders negatively effecting sub-clustering results (Supp. Fig. 2a, b). Therefore, they were considered as biasing factors without connection to the ALS-like pathology. Together, these results show minimal variation in gene expression related to the pathology progression in the cortex of the SOD1(G93A) mouse, regardless of sex, with the indication of subtle changes in microglia and oligodendrocytes in the late phase of the disease./p>
한국어
English
Français
Deutsch
Español
Italiano
Português
日本語
Русский