摘要：加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的生物標(biāo)志物，可以預(yù)測神經(jīng)元在受傷后是否會(huì)再生。這一發(fā)現(xiàn)可以幫助科學(xué)家開發(fā)脊髓損傷和其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病的再生療法。

加州大學(xué)圣地亞哥分校醫(yī)學(xué)院的研究人員利用單細(xì)胞RNA測序(一種確定單個(gè)細(xì)胞中哪些基因被激活的方法)，發(fā)現(xiàn)了一種新的生物標(biāo)志物，可用于預(yù)測神經(jīng)元在損傷后是否會(huì)再生。他們在小鼠身上測試了他們的發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)這種生物標(biāo)志物在整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)和不同發(fā)育階段的神經(jīng)元中始終是可靠的。這項(xiàng)研究發(fā)表在2023年10月16日的《Neuron》雜志上。

圖1 深層scRNA測序揭示了一種廣泛應(yīng)用的再生分類器

要點(diǎn)

科學(xué)家們通過應(yīng)用Garnett對(duì)深度單細(xì)胞RNA測序數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，成功開發(fā)出“再生分類器"

通過分析稀有再生的CST神經(jīng)元，揭示了神經(jīng)元再生過程中的重要差異

網(wǎng)絡(luò)分析強(qiáng)調(diào)了抗氧化反應(yīng)和線粒體生物合成的重要性

條件性基因敲除證實(shí)了抗氧化反應(yīng)主調(diào)節(jié)因子NFE2L2在CST神經(jīng)元再生中的重要作用

摘要

研究人員將重點(diǎn)放在皮質(zhì)脊髓束的神經(jīng)元上，皮質(zhì)脊髓束是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中幫助控制運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部分。損傷后，這些神經(jīng)元是最不可能再生軸突的，軸突是神經(jīng)元用來相互交流的細(xì)長結(jié)構(gòu)。這就是為什么大腦和脊髓的損傷是毀滅性的?？茖W(xué)家們通過深度測序技術(shù)成功揭示了神經(jīng)元再生潛力的普遍轉(zhuǎn)錄組學(xué)特征，并強(qiáng)調(diào)了應(yīng)用這一技術(shù)推動(dòng)再生生物學(xué)發(fā)展的潛力。在過去的幾十年中，科學(xué)家們一直在努力了解中樞神經(jīng)系統(tǒng)的軸突再生過程。然而，盡管我們在理解軸突再生的生物學(xué)機(jī)制方面取得了顯著進(jìn)展，但我們在促進(jìn)臨床中重要的皮質(zhì)脊髓束（CST）在脊髓損傷后的再生能力方面仍然有限。為了深入了解這種再生異質(zhì)性，科學(xué)家們對(duì)PTEN和SOCS3敲除后的稀有再生CST神經(jīng)元進(jìn)行了基于補(bǔ)丁的單細(xì)胞RNA深度測序。通過應(yīng)用監(jiān)督分類算法Garnett，科學(xué)家們開發(fā)了一個(gè)“再生分類器"，該分類器可以廣泛預(yù)測不同神經(jīng)元類型在不同發(fā)育階段或損傷情況下的再生潛力。

通過網(wǎng)絡(luò)分析，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)抗氧化反應(yīng)和線粒體生物合成在網(wǎng)絡(luò)中被高度富集?？寡趸磻?yīng)是細(xì)胞應(yīng)對(duì)氧化應(yīng)激的重要防御機(jī)制，而線粒體生物合成是細(xì)胞能量生成的關(guān)鍵過程。這些發(fā)現(xiàn)提示我們，在神經(jīng)元再生過程中，這些過程可能發(fā)揮重要作用。

為了驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，科學(xué)家們通過條件性基因敲除技術(shù)刪除了抗氧化反應(yīng)的主要調(diào)節(jié)因子NFE2L2。結(jié)果顯示，NFE2L2的缺失顯著降低了CST神經(jīng)元的再生能力，證實(shí)了NFE2L2在CST神經(jīng)元再生中的關(guān)鍵作用。

這些數(shù)據(jù)展示了神經(jīng)元再生過程中轉(zhuǎn)錄組學(xué)特征的普遍性，并強(qiáng)調(diào)了深度測序技術(shù)在揭示神經(jīng)元再生機(jī)制方面的潛力。我們的研究結(jié)果為理解神經(jīng)元再生的異質(zhì)性以及開發(fā)新的再生策略提供了重要線索。

加州大學(xué)圣地亞哥分校醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)系教授、通訊作者Binhai Zheng博士說:“單細(xì)胞測序技術(shù)正在幫助我們比以往任何時(shí)候都更詳細(xì)地研究神經(jīng)元的生物學(xué)，這項(xiàng)研究確實(shí)證明了這種能力。我們在這里發(fā)現(xiàn)的可能只是基于單細(xì)胞數(shù)據(jù)的新一代復(fù)雜生物標(biāo)志物的開始。"

“如果你的手臂或腿受傷了，這些神經(jīng)可以再生，而且通常有可能完(空)全恢復(fù)功能，但中樞神經(jīng)系統(tǒng)卻不是這樣，"Zheng實(shí)驗(yàn)室的博士后、第一作者Hugo Kim博士說?！皬拇蠖鄶?shù)大腦和脊髓損傷中恢復(fù)非常困難，因?yàn)檫@些細(xì)胞的再生能力非常有限。一旦他們走了，他們就走了。"

圖2 MLKLS132P在神經(jīng)磺酰胺或Ser83抑制存在的情況下執(zhí)行細(xì)胞凋亡

研究人員使用單細(xì)胞RNA測序來分析脊髓損傷小鼠神經(jīng)元中的基因表達(dá)。他們使用現(xiàn)有的分子技術(shù)鼓勵(lì)這些神經(jīng)元再生，但最終，這只對(duì)一部分細(xì)胞起作用。這種實(shí)驗(yàn)設(shè)置允許研究人員比較再生和非再生神經(jīng)元的測序數(shù)據(jù)。此外，通過關(guān)注相對(duì)較少數(shù)量的細(xì)胞——只有300多個(gè)——研究人員能夠非常仔細(xì)地觀察每個(gè)細(xì)胞。

“就像每個(gè)人都不一樣，每個(gè)細(xì)胞都有自己獨(dú)(空)特的生物學(xué)特性，"Zheng說。“探索細(xì)胞之間的細(xì)微差異可以告訴我們很多關(guān)于這些細(xì)胞如何工作的信息。這就像神經(jīng)元再生的分子指紋。"

利用計(jì)算機(jī)算法分析他們的測序數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)(空)特的基因表達(dá)模式，可以預(yù)測單個(gè)神經(jīng)元在受傷后最終是否會(huì)再生。這種模式還包括一些以前從未涉及到神經(jīng)元再生的基因。

為了驗(yàn)證他們的發(fā)現(xiàn)，研究人員在26個(gè)已發(fā)表的單細(xì)胞RNA測序數(shù)據(jù)集上測試了這種分子指紋，他們將其命名為再生分類器。這些數(shù)據(jù)集包括來自神經(jīng)系統(tǒng)不同部分和不同發(fā)育階段的神經(jīng)元。

研究小組發(fā)現(xiàn)，除了少數(shù)例外，再生分類器成功地預(yù)測了單個(gè)神經(jīng)元的再生潛力，并能夠重現(xiàn)以前研究中已知的趨勢，比如出生后神經(jīng)元再生急劇減少。

Zheng說:“通過對(duì)來自完(空)全不同研究方向的許多組數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，我們發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)元再生的潛在生物學(xué)基礎(chǔ)。我們需要做更多的工作來完善我們的方法，但我認(rèn)為我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種模式，可以適用于所有再生神經(jīng)元。"

雖然在小鼠身上的結(jié)果很有希望，但研究人員警告說，目前，再生分類器是一個(gè)幫助實(shí)驗(yàn)室神經(jīng)科學(xué)研究人員的工具，而不是臨床患者的診斷測試。

Zheng說:“在臨床環(huán)境中使用單細(xì)胞測序仍然有很多障礙，比如成本高，分析大量數(shù)據(jù)困難，最重要的是，獲取感興趣的組織。目前，我們有興趣探索如何在臨床前環(huán)境中使用再生分類器來預(yù)測新的再生療法的有效性，并幫助這些療法更接近臨床試驗(yàn)。"

參考資料

[1]  Deep scRNA sequencing reveals a broadly applicable Regeneration Classifier and implicates antioxidant response in corticospinal axon regeneration