空間轉錄組學（ST）和單細胞RNA測序（scRNA-seq）的結合是連接人類組織病理表型和分子改變的關鍵組成部分，定義了原位細胞間分子通訊和時空分子醫學知識。ST在人類疾病中的潛在應用是臨床和轉化醫學的重要問題之一，包括神經學、胚胎發育、腫瘤學和炎癥學。因此，明確的臨床目標、設計、采樣程序和方案的優化、ST的可重復性以及分析和解釋的簡化是將ST轉換到臨床的關鍵。

本期推送為大家帶來2篇空間轉錄組學在神經學中的應用案例。

神經系統的空間轉錄組學為理解單個神經元的類型、位置、樹突結構、軸突投射和相應功能提供了新的見解。

案例一

使用Fiji “Analyze particles”插件和ST pipeline（一種用于獨特轉錄本空間映射的自動化管道）進行數據處理，使用分層隨機抽樣ST測量小鼠脊髓和ALS患者的死后組織的基因表達，區分早期小膠質細胞和星形膠質細胞之間的區域差異，并確定ALS模型和患者脊髓病理學之間轉錄途徑的干擾。在ALS誘導后，在小鼠體內動態發現約11138個基因的空間分布，并從ALS患者的脊髓樣本中進一步發現9624個基因。這項特別的研究定義了基因表達在組織中的明確定位和多維分布，并描述了退行性疾病的新機制，例如TREM2-TYROBP復合物、Apoe、Lpl、B2m和Cx3cr1在不同階段和位置的表達。

在神經退行性疾病模型中，Trem2和Tyrobp形成受體復合物，當與膜脂或脂蛋白復合物結合時，可觸發吞噬或調節細胞因子信號。在癥狀出現之前，腹角和白質中的酪氨酸結合蛋白表達上調，而在Trem2表達之前，酪氨酸結合蛋白表達上調。Lp1和B2m在癥狀出現前上調，尤其是在腹角。Apoe和Cx3cr1在癥狀小鼠的脊髓中上調。載脂蛋白E的表達受Trem2信號和Trem2配體的驅動。

案例二

使用ST pipeline進行數據處理，從死后腦組織的ST圖譜中發現了6條疾病相關途徑中的16個失調轉錄本。其中，代謝型谷氨酸受體3和泛素特異性蛋白酶47進一步與互補分子病理學確定為空間疾病特異性靶點。代謝型谷氨酸受體3對谷氨酸神經傳遞和突觸可塑性的失調，泛素特異性蛋白酶47對細胞生長和基因組完整性的失調，可以作為臨床治療的新選擇。

在肌萎縮側索硬化（ALS）模型中，C9orf72重復擴增、突變SOD1和sALS中前額葉和運動皮質GRM3基因的表達較低。GRM3基因編碼代謝型谷氨酸受體mGlu3，調節中樞神經系統中谷氨酸的神經傳遞。神經元mGlu3受體的表達主要在突觸前終末。當突觸外谷氨酸過度溢出時，G蛋白信號級聯被激活，以調節突觸前離子通道的活動，然后負調節突觸前谷氨酸的釋放。前額葉皮質mGlu3受體表達的減少增加谷氨酸的傳遞并產生興奮性毒性的調節可能是精神分裂癥和ALS的共同機制特征。

參考文獻：

[1] Maniatis S, Äijö T, Vickovic S, et al. Spatiotemporal dynamics of molecular pathology in amyotrophic lateral sclerosis. Science. 2019;364(6435):89-93. doi:10.1126/science.aav9776

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