發(fā)布時間：2024-07-22
2024年7月18日，中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心方燕姍課題組、中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院彭廣敦課題組和暨南大學李昂課題組合作，在Developmental Cell期刊在線發(fā)表了題為“A spatiotemporal molecular atlas of mouse spinal cord injury identifies a distinct astrocyte subpopulation and therapeutic potential of IGFBP2”的最新論文。該研究利用空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)對急性損傷引起的脊髓中分子和細胞水平的復雜變化進行了全面深入的梳理和分析，通過刻畫脊髓損傷?(spinal cord injury, SCI)后基因表達和分子變化的時空特征，以及繪制原位細胞互作網(wǎng)絡圖譜識別出一類發(fā)生特定位置遷移的星形膠質(zhì)細胞亞群，并鑒定出該亞群的特征基因之一Insulin-like growth factor binding protein 2?(Igfbp2)，進而揭示了SCI引起Igfbp2表達上調(diào)的細胞功能和潛在生物學意義。
成年哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)的再生能力非常有限，其損傷所造成的傷害大多不可逆、難以恢復。以SCI為例，SCI后可出現(xiàn)軸突退化、神經(jīng)元丟失、脫髓鞘、炎癥反應、巨噬細胞和免疫細胞浸潤、膠質(zhì)瘢痕生成等改變，從而導致永久性的運動、感覺和自主神經(jīng)功能障礙，并伴有各種局部或全身并發(fā)癥。盡管SCI 的慢性期可持續(xù)數(shù)月至數(shù)年，但基因表達水平和分子編程中最主要、最劇烈、最紛繁蕪雜的改變則發(fā)生在損傷后的數(shù)小時至數(shù)天內(nèi)。此外，基因表達和細胞響應的空間動態(tài)變化在該時期也是最明顯的。故此，全面系統(tǒng)地在時間和空間維度下解析SCI急性期所發(fā)生的基因表達改變、分子調(diào)控程序和細胞響應機制對于理解SCI的病理過程和制定有效治療方案至關(guān)重要。
以往SCI表達圖譜和分子變化網(wǎng)絡的研究主要依賴單細胞或單核測序，但上述技術(shù)無法提供這些分子和細胞變化的空間位置信息和對應的解剖學注釋。同時，這類技術(shù)受單細胞分離方法的局限，造成某些細胞類別比如神經(jīng)元、星型膠質(zhì)細胞等的捕獲比例遠低于其生理狀態(tài)下的占比，導致最終測序數(shù)據(jù)和以此進行的分析帶有很強的“生存者偏差”。近幾年，空間組學的出現(xiàn)和發(fā)展為彌補這些缺陷帶來了希望。在這篇新發(fā)表的論文中，研究人員以小鼠脊髓全橫斷模型為例，在SCI后的多個時間點、距離損傷位點頭尾兩端的多個不同位置、對多個生物學重復的脊髓組織進行了基于10xVisium的原位空間轉(zhuǎn)錄組測序（圖1A）。
通過對過濾后保留下來的超過22,800個空間位置點的數(shù)據(jù)進行生物信息學整合分析，在組織結(jié)構(gòu)被嚴重破損的情況下，通過空間分布和基因表達相似性仍然能夠準確定義出脊髓的解剖結(jié)構(gòu)。該研究系統(tǒng)性地揭示了損傷后不同脊髓解剖區(qū)域、不同損傷時間以及損傷位點不同方向和距離處的基因表達動態(tài)變化、共表達基因模塊以及轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡（圖1B）。更具創(chuàng)新意義的是，該團隊通過自主開發(fā)空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析的新計算策略和工具，繪制出脊髓損傷后原位細胞-細胞交互?(spatial-aware cell-cell communication, SA-CCC) 的動態(tài)圖譜（圖2），相比于傳統(tǒng)僅僅基于單細胞基因表達進行細胞互作分析，整合細胞在空間上的臨近關(guān)系，降低了最終結(jié)果的假陽性率。
通過 SA-CCC細胞互作網(wǎng)絡分析，研究人員發(fā)現(xiàn)了一類在SCI后從脊髓白質(zhì)遷移到脊髓灰質(zhì)的星型膠質(zhì)細胞亞群（圖1C）。接著通過脊髓實質(zhì)注射和lineage tracing實驗，證實了SCI后這類由白質(zhì)向灰質(zhì)定向遷移的星型膠質(zhì)細胞亞群的存在及其細胞來源（圖3），該團隊將其命名為“injury-induced, gray matter-relocated astrocytes (Astro-GMii)”。
研究人員通過整合空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)和已有的SCI單細胞/單核測序數(shù)據(jù)對Astro-GMii細胞的分子特征進行了多水平、多維度的分析，從中鑒定出可以標記Astro-GMii并在SCI后特異性上調(diào)的特征基因之一Igfbp2。值得一提的是，通過空間轉(zhuǎn)錄組識別出某種特定細胞亞型或亞群后，可以對其位置信息進行分子特征提取，獲得“位置指紋”。用這些位置指紋可以對已發(fā)表的單細胞數(shù)據(jù)進行空間特征注釋和虛擬細胞分選（virtual cell?sorting）。例如，利用Astro-GMii的位置指紋對第三方發(fā)表的SCI單細胞數(shù)據(jù)進行比對和分析，研究人員也鑒別到Astro-GMii亞群并利用這些數(shù)據(jù)進一步分析了該亞群的分子演化過程，充分體現(xiàn)了空間位置特征這一維度對發(fā)掘細胞功能異質(zhì)性的重要作用（圖4）。
在后續(xù)工作中，通過原代星型膠質(zhì)細胞培養(yǎng)、原代神經(jīng)元培養(yǎng)以及conditioned medium共培養(yǎng)等實驗，研究人員揭示了高表達Igfbp2不僅可以促進星型膠質(zhì)細胞的遷移、增殖和反應性，并且星型膠質(zhì)細胞可以分泌IGFBP2蛋白，后者作用在神經(jīng)元上可以促進神經(jīng)軸突的生長。最后，研究人員將IGFBP2蛋白和基質(zhì)膠制備成生物材料注射進小鼠的SCI損傷部位后，損傷灶附近神經(jīng)元的存活得到了顯著提高，并最終有效促進了SCI小鼠的感覺和運動功能的恢復（圖5）。
綜上所述，該工作通過全面深入的空間轉(zhuǎn)錄組分析建立了SCI交互式時空數(shù)據(jù)庫（https://spasi.ccla.ac.cn/），并完成了大量體內(nèi)和體外的驗證實驗以及功能研究，不僅為理解受損脊髓的時空重組提供了豐富的資源和有用的生物信息分析工具，而且發(fā)現(xiàn)了具有SCI治療潛力的新分子IGFBP2蛋白，為今后進一步推進相關(guān)轉(zhuǎn)化研究和深入探尋IGFBP2神經(jīng)保護的作用機制奠定了基礎。
中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心博士研究生王澤清、中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院博士研究生李竺霞和中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心博士研究生欒天樂為該文的共同第一作者。中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心方燕姍研究員、中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院彭廣敦研究員和暨南大學李昂副研究員為共同通訊作者。
彭廣敦課題組在該工作中負責了所有數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)站搭建，該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家及廣東省自然科學基金、中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院基礎研究項目和廣州國家實驗室重大項目的支持。
圖1?小鼠SCI空間轉(zhuǎn)錄組實驗設計和數(shù)據(jù)分析概覽
圖2?細胞的空間原位互作分析
圖3?脊髓實質(zhì)注射和譜系追蹤證實Astro-GMii亞群來源于脊髓白質(zhì)的星膠細胞
圖4?基于“空間指紋”進行單細胞亞群的虛擬分選
圖5?Astro-GMii細胞激活、遷移并表達分泌蛋白IGFBP2促進神經(jīng)修復的示意圖
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